ÖZET

        Bu çalışmada, Türk-Fiat traktörlerinin fren sistemleri fonksiyonel olarak incelenmiş ve Türkiye’deki çalışma tecrübeleri sonucunda oluşan problemlerin çözümlenmesine çalışılmıştır. Frenlerin oldukça fazla kullanımından sonra mekanik faktörler nedeniyle oluşan balata aşınması, bozulması ve ısıl faktörler yüzünden oluşan yanma, deformasyon problemlerine çözümler aranmıştır. Bu çalışmada, birçok deney yapılmış, yardımcı aparatlar hazırlanmış, hesaplamalar, sonuç analizleri, tablo ve grafiklerin hazırlanmasında bilgisayarlardan yararlanılmıştır. Daha önce bilinmeyen fren balatasının sürtünme katsayısı belirlenmiştir. Aracın ve ilgili fren parçalarının frenleme verimi ve yetenekleri hesaplanmıştır.

        Anahtar Kelimeler: Fren, Traktör, Balata

FUNCTIONAL ANALYSIS AND DEVELOPMENT OF TRACTOR BRAKE SYSTEM

        This research investigates the design of the braking system of Turk-Fiat tractors with the view of improvement. The wear, overheating, deformation and mechanical problem due to frequent use of brakes are to be reduced by design improvement. To achieve this end, experiments have been conducted using specially developed apparatus and computer modelling was used for analysing and design. Data, such as friction coefficient has been determined.

        Braking performance of the tractor has been evaluated.

        Keywords: Brake, Tructor, Brekelining.

        GİRİŞ

        Bir motorlu taşıtın frenleme kapasitesi sadece aracın yavaşlamasını ve durmasını saglayarak araç performansını etkilemez aynı zamanda aracın kendisi ve içindeki tüm canlılar için hayati bir önem taşır. ISO 9000 Standartlarında da dolayısıyla fren parçalarının tümü güvenlik parçası olarak gruplandırılmıştır. Iyi bir frenleme performansı aynı zamanda otomotiv endüstrisi için de çok iyi bir reklam faktörüdür.

        Bir aracın yavaşlaması veya durması söz konusu oldugunda sadece aracın frenini ve ilgili fren parçalarını göz önünde bulundurmak dogru olmaz, çünkü hareket halindeki bir araca etkiyen birçok fren kuvvetleri bulunmaktadır. Bu direnç kuvvetlerini şöyle sıralayabiliriz [1]:

    1) Yuvarlanma direnci
    2) Aerodinamik direnç
    3) Atalet direnci
    4) Aktarma organları ve motor direnci
    5) Egim direnci

        Yuvarlanma direnci lastik-yol temasından dolayı ortaya çıkan bir durumdur. Aerodinamik direnç, otomotiv endüstrisinde herkesin yakından bildigi ve bu direnci en aza indirmeye çalışarak kaliteli arabalar yapmaya çalıştıgı bir özelliktir. 112 km/saat hızla giden bir arabanın çekiş kuvvetinin %80’i hava sürtünmesini yenmek için harcanmaktadır. Bununla birlikte 56 km/saat degerinin altındaki hızlarda ise bu direnç önemsenmeyecek derecede azdır. Dolayısıyla yüksek hızlarda bu direnç çok önemli olmakta ve otomotiv endüstrisi de bu yüzden aerodinamik olarak süper arabalar yapmaya çalışmaktadırlar. Atalet direnci ise araç hızı degişikliklerinden dogan durumlarda ortaya çıkar. Aktarma organları ve motor direnci ise digerlerinden ayrı olup ilgili organlardaki sürtünme kuvvetlerinden dolayı oluşan güç kaybıdır. Çogu tecrübeli sürücüler bunu motor freni olarakta bilir ve ihtiyaç duydukları anlarda kullanırlar. Egim direnci ise adından da anlaşılacagı gibi aracı egimli yerlerde kullanırken yerçekimi kuvvetinden ortaya çıkar ve egim açısıyla dogru orantılı olarak degişir.

        Işte bütün bu yukarda adı geçen direnç kuvvetleri –motor freni hariç- sürücünün kontrolu dışındadır ve acil durumlarda ve yüksek hızlarda da bu motor freni kullanılamaz. Bunun için hayati durumlarda güvenilir ve kuvvetli bir yavaşlama ve durma sistemine ihtiyaç vardır. Işte bu da fren sistemi sayesinde gerçekleştirilir.

        Bu çalışmada Türk-Fiat marka 56 ve 66 serisi traktörlerinin fren sistemleri incelenmiştir. Her iki serideki traktörlerin fren sistemleri detaylarda farklılıklar göstermekteyse de hepsi ana çalışma prensibi göz önünde bulunduruldugunda aynıdır. Bu nedenle bir sistem için yapılan analiz yeterli olup küçük degişikliklerle digerlerine kolaylıkla uygulanabilinir.

        TRAKTÖR FREN SİSTEMLERİNİN GENEL YAPISI

        Traktörlerde kullanılan fren sistemi disk tipi olup yag içinde çalışmakta ve hepsi de mekanik olarak harekete geçirilmektedir.

        Türk-Fiat traktörlerinin fren sistemleri kısaca ikiye ayrılır:

    1) 3 diskli fren sistemi
    2) 4 diskli fren sistemi

        Disklerde kullanılan sürtünme malzemesi HDT 303 adında ısıya dayanıklı ametalik bir malzeme olup disklere özel bir üretim yöntemiyle sıkıca yapıştırılmıştır. Diskler henüz ülkemizde üretilememekte ve yurt dışından ithal edilmektedir.

        Sık Karşılaşılan Sorunlar

        Kullanım tecrübelerinden çıkarılan bilgilerin ışıgı altında fren sisteminde görülen ana problemler şu başlıklar altında özetlenebilinir [2]:

    1) Frenlerin sık kullanımından sonra meydana gelen çabuk aşınma ve bozulma
    2) Yine aynı şekilde frenlerin sık kullanımından sonra ısıl faktörler yüzünden meydana gelen deformasyonlar.
    3) Arkada römork bağlı ve yokuş aşağı seyahat halindeyken aşırı yük nedeniyle fren sisteminde oluşan arızalar

        Bu sorunların ışıgı altında, Türkiye’de ve yurt dışında traktör kullanımındaki farklılıkları irdelemek yerinde olacaktır.

        1) Türkiye’de traktörler sadece tarlalarda kulanılmamakta, arkaya römorklar baglanarak asfalt yollarda yüksek hızlarda agır yükler taşınmaktadır. Ayrıca römork kullanımı durumlarında römorklar için özel olarak tasarlanmış ek fren sistemleri vardır ancak Türkiye’de bu ek römork fren sistemlerini sürücüler bilmemekte veya pahalı diye kullanmamaktadırlar.

        2) Yurt dışında ise çiftciler, traktörlerini tarlaları dışında kullanmamakta, hasat zamanı dışındaki zamanlarda traktörlerini garajlarında park etmektedirler. Römorklarla taşıma işlemlerinde ise ek römork fren sistemlerinden yararlanmaktadırlar.

        Bu bilgilerin ışıgı altında traktörlerin Türkiye’de ilk tasarım amaçları dışında kullanıldıgı görülmektedir. Bu nedenle fren tasarımının daha da geliştirilmesi ve ülkemiz koşulları için daha güvenli sistemlerin uygulanması gerekir.

        DENEYLER

        Bu deneyin amacı frenlerin çok sık kullanımından sonra ani sıcaklık artışlarının olup olmadıgı, oluyorsa ne kadar oldugunu bulmaktır. Bunun için en güçlü ve en agır traktör olan 80-66 model traktör denek olarak alınmıştır. Ilgili araç 2.yüksek viteste 1 saatten fazla olarak asfaltta kullanılmış ve bu süre içinde ilk başlarda 15 saniyede bir daha sonraları ise 5 saniyede bir fren yapılmak suretiyle frenler zorlanmıştır. Frenlere, traktör duruncaya kadar basılmıştır. Frenlerin basılı tutulma süresi ise ortalama 5 sn.’dir. Toplam bu süre zarfında frenlere 350 den daha fazla kez basılmış ve sıcaklıklar 8 ayrı noktadan belirli zaman aralıklarında alınmış ve Sıcaklık-Zaman grafigi Şekil 2’de verilmiştir. Deneyden sonra ilgili fren parçaları sökülmüş ve incelenmiştir.

        Sonuç: Şekil 2’den de görülebilecegi gibi sıcaklık artışları çok aşırı olmayıp anormal bir durum görülmemektedir. Bu alınan degerler fren sisteminin dışından oldugu için iç sıcaklık degerlerini göstermemektedir ancak iç sıcaklıklar bu sıcaklıklara 40-45 °C ekleyerek tahmin edilebilinir. Dolayısıyla iç sıcaklıkların 85-90 °C civarlarında oldugu tahmini yapılabilinir.

        Bu da yagın normal çalışma sıcaklıgı olan 90°C’yle karşılaştırıldıgında uygun oldugu ve anormal bir durum olmadıgı sonucu çıkartılabilinir. Ayrıca sökülen fren parçaları da tecrübeli gözlerce incelenmiş ve normal olduguna karar verilmiştir. Sonuç olarak sıcaklık ilk başlarda hızlı bir artış göstermiş ve daha sonra artış hızı yavaşlamış ve egri deney sonuna dogru normal çalışma sıcaklıgına yaklaştıkça kısmen düzleşmiştir.

        Deney 2– Disk Sürtünme Katsayısının Bulunması:

        Bu deneyin amacı fren diskinin gerçek sürtünme katsayısını bulmaktır. Fren sistemi özel bir makinayla sıkıştırılmış ve bu durumdayken torkmetreyle döndürülmüştür. Dolayısıyla eksenel yüklere karşılık gelen tork degerleri bulunarak sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. Deney hem kuru hem de yaglı ortamda yapılmış ve her iki duruma karşılık gelen sürtünme katsayıları bulunmuştur. Sürtünme katsayısı kuru ortam ve yaglı ortam için sırasıyla 0.14 ve 0.16 olarak hesaplanmıştır. Daha sonra yurt dışı üreticilerle temasa geçilerek onlardan da ilgili degerler alınmıştır.

        Sonuç: Yurt dışı üreticilerinden alınan degerler, dinamik ortamda yapılan deneylerden çıkan sonuçlardır. Tarafımızca yapılan deneyler ise statik konumda yapıldıgından, bu deneylerden alınan sürtünme katsayısı degerleri daha yüksektir. Ancak yurtdışı degerlerine de oldukça yakındır. Bu gerekçeyle, hesaplarımızda yurtdışı araştırmalarda saptanan 0.13 degeri dinamik sürtünme katsayısının degeri olarak kullanılmıştır.

        Deney 3 – Fren Kuvvetinin Hesaplanması:

        Bu deneyin amacı frenlere basıldıgında ortaya çıkan frenleme kuvvetinin pratik olarak belirlenmesidir. Bunun için montaj hattındaki traktörlerin fren mekanizmalarının kalınlıkları ve yapmış oldukları sıkıştırma oranları, frenler hem serbest haldeyken hem de tam olarak basılı durumdayken ölçülmüş ve disklerin ne kadar sıkıştırma yaptıgı bulunmuştur. Daha sonra bu degerler ışıgı altında bilgisayar kontrollü Dartec çekme makinasında aynı sıkışma degerlerine karşılık gelen eksenel kuvvetler bulunmuştur. 3 diskli ve 4 diskli fren sisteminin sıkışma degerlerine karşılık gelen eksenel kuvvetler Tablo 1’de taralı olarak gösterilmiştir. Bu bilgilerin yardımıyla ilgili basınç ve tork degerleri iki ayrı yöntem kullanılarak hesaplanmıştır [3]:

        1) Homojen basınç yöntemi
        2) Homojen aşınma yöntemi

        Bununla birlikte bu iki yöntemle hesaplanan degerler Tablo 1’den de görülecegi gibi birbirlerine oldukça yakındır. Ancak traktörler için homojen basınç kriteri daha uygundur. Çünkü sıkıştırma kuvveti diskler ve plakalar üzerine homojen olarak fren pedalları vasıtasıyla aktarılmaktadır. Bu yüzden hesaplamalarda homojen basınç yöntemi esas alınmıştır.

        Homojen aşınma yöntemine göre maksimum basınç ve tork degerleri:

        Bir aracın frenleme kapasitesi sadece o aracın dinamik aks agırlıgı ve lastik-yol temasındaki sürtünme katsayısıyla ilgilidir.

        Traktörlerin Ağırlık Merkezleri : Traktörlerin frenleme kapasitelerini (8) numaralı formülden bulmak için eşitlikte yer alan tüm degişkenlerin bilinmesi gerekmektedir. Öncelikle traktörlerin agırlık merkezlerini belirlemek için ön ve arka akslarının ve ayrıca ön aksları yükseltilerek ön akslarının agırlıkları kantarlarda tartılmış ve ilgili formüllerin yardımıyla agırlık merkezleri her model için belirlenmiştir.

        Lastik Yuvarlanma Direnci : Lastik yuvarlanma direnci birimsiz bir katsayı olup oldukça kompleks fiziksel özellikler içermekte ve lastik-yol temasının çok degişik biçimler göstermesinden dolayı hesaplanmasında birçok parametre yer almaktadır. Bu parametreler arasında yol durumu, lastik-yol temas elastisitesi, lastik hava basıncı, lastik yarıçapı, aracın hızı, akslardaki çekiş kuvveti, lastik radyal yükü, lastik sıcaklıgı, lastik malzemesi ve tasarımı gibi birçok degişken yer almakta ve bu katsayının hesaplanmasını zorlaştırmaktadır.

        Traktörlerin kullanım koşulları tam olarak bilinmediginden dolayı bu parametrelerin kesin olarak kullanılması mümkün olamamaktadır. Bu nedenle daha pratik degerlere ihtiyac vardır. Tablo 2’de bu pratik degerlerin bir özeti verilmektedir. Tablo 2’den de görülebilecegi gibi traktörler için 0.02 degeri rahatlıkla alınabilir. Eşitlik (8)’den de görülebilecegi gibi f ne kadar küçük olursa frenleme kapasitesi o kadar büyümektedir. Dolayısıyla her ne kadar traktörler beton ortamlarda kullanılmıyorsa da frenleri iyileştirmek için en kötü durumu göz önünde bulundurmakta yarar vardır.

        Lastik-Yol Teması Sürtünme Katsayısı : Bu katsayı da aynen yuvarlanma direnci gibi birçok fiziksel degişkenlere baglı olup kullanım durumlarına göre büyük degişiklikler göstermektedir. Örnek vermek gerekirse bu katsayı yolun; asfalt, toprak ya da beton olmasına, ıslak, kuru veya yaglı olmasına, lastigin tasarımına, aracın hızına göre degişiklik göstermektedir. Eşitlik (8)’den de görülebilecegi gibi µ ne kadar büyük olursa frenleme kapasitesi o kadar büyümektedir. Dolayısıyla her ne kadar traktörler beton ve asfalt ortamlarda çok fazla kullanılmıyorsa da frenleri iyileştirmek için en kötü durumu göz önünde bulundurmakta yarar vardır. Bu yüzden Tablo 3’den de görülecegi gibi µ için 0.85 degeri baz alınarak ilerdeki tüm hesaplamalarda kullanılmıştır.

        Tablo 4’ün son sütununda Tork aks başlıgı altında görülen traktörlerin frenleme kapasite degerleri traktörlerde bulunan fren sisteminin frenleme kapasitelerinden oldukça küçük görünmektedir. Tablo 1’de görülecegi üzerine 3 diskli sistemin kapasitesi 165.8 kgf.m., 4 diskli sistemin kapasitesi ise 246.2 kgf.m. olarak bulunmuştur. Bu degerlerin, Tablo 4’ün en son sütunundaki aks tork degerleriyle karşılaştırıldıgında daha büyük oldugu görülmektedir. Dolayısıyla en kötü şartlar düşünüldügünde dahi frenlerin oldukça yeterli oldugu sonucuna varılmaktadır. Bütün bu sonuçlara karşın fren sistemi için birçok iyileştirici tasarım degişiklikleri düşünülmüş ve bunlar alternatif olarak sunulmuştur.

        ISIL ANALİZ

        Fren sisteminin ısıl kapasitesinin hesaplanması frenleme işleminin en önemli faktörlerinden biridir. Fren sistemi basit olarak kinetik enerjiyi sürtünme sonucunda ısı enerjisine çevirir. Sistemde oluşan ısıl enerji sıcaklıgı artırarak frenleme işleminin sınır çalışma sıcaklık degerlerini belirler. Yüksek sıcaklıklar sürtünme katsayısını büyük oranda düşürür ve aynı zamanda ilgili parçaların ömürlerini de kısaltır. Bu yüzden sistemin ısıl analizi oldukça önemli bir yer kaplamaktadır.

        Fren sisteminin ısıl analizinde Şekil 3’teki 1 fren sacı ve 2 fren diskinden oluşan bir kontrol hacmi alınmış ve enerjinin korunma teoremi uygulanmıştır.

        Bu diferansiyel eşitlik ise lineer ayrılabilinir katsayılı bir diferansiyel eşitliktir. Diferansiyel eşitlikte geçen c1 başlangıç durumuna göre çözülüp bulunması gerekir. 54 °C Junior tip traktörün maksimum yüklü agırlıgı 3600 kg. dır. Örnek bir çözüm, bu tip traktör için şöyle yapılır:

        Isı Depolama Kapasitesinin Artırılması :

        Tasarım iyileştirilmesi olarak en pratik ve basitçe yapılabilecek degişikliklerden biri fren sisteminin ısı depolama kapasitesini artırmaktır. Fren plakasının kalınlıgı artırılınca kontrol hacminin kütlesi artar ve bu da sabit sıcaklık degerine ulaşma süresini uzatır. Eger fren plakasının kalınlıgını 1.33 mm ve 2.66 mm artırırsak bunlara karşılık gelen kütle degerleri de sırasıyla 1.422 kg ve 1.6 kg olur. Bu degerlere göre hesaplamalar yapıldıgında ise Tablo 6 ve Tablo 7’deki sonuçlara ulaşılır.

        Isı Kaybının Artırılması : Bir önceki tasarım iyileştirilmesinde ısı depolama kapasitesi artırılmış ve bu sabit sıcaklık degerlerini degiştirmemiş ama sabit sıcaklıga ulaşım süresini çogaltarak iyileştirme saglamıştır. Bununla birlikte bu tasarım iyileştirmesinde ise sabit sıcaklık degeri azaltılacaktır. Bu da fren sistemindeki ısı kaybını artırmakla mümkün olacaktır. Bunun için fren plakasının yüzey alanı artırılmış ve bu da ısının daha fazla yaga aktarılmasını saglamıştır. Sonuç degerler Tablo 8’de verilmiştir.

        Tablo 5, 6, 7 ve 8’de görülen sıcaklık degerleri traktörlerin maksimum dingil agırlıklarında ve maksimum meyilde elde edilen en olumsuz ve teorik olarak hesap edilmiş degerlerdir. Bu koşullarda deneylerin yapılması mümkün olmamıştır. Deneyler sadece sürtünme katsayısını bulmak ve düz zeminde normal agırlıklar altında ısınmayı görmek için yapılmıştır. Tablo 5-8’deki sıcaklıklara erişilmemesi gerekmektedir. Bu sıcaklıklara fren malzemesi HDT 303 dayanmakla birlikte yag dayanamamakta ve ömrü azalmaktadır.

        TASARIM İYİLEŞTİRMELERİ

        Traktörlerin frenleme kapasitesini bir şekilde iyileştirmek için iki yöntem vardır:

    1) Fren sisteminin üzerindeki eksenel kuvveti artırmak.
    2) Disklerin sürtünme alanını artırmak.

        Birinci yöntem her ne kadar fren kuvvetini artırsada, bütün parçalar üzerindeki basınçlar artacagından fren parçalarının ömrü kısalacak, zaten şikayet nedeni olan çabuk aşınma, yanma, deformasyon gibi nedenlerde azalma degil artma olacaktır. Öyleyse bu yöntem fren kuvvetinde bir iyileştirme olmakla beraber sorunları çözmüş olamayacaktır. Sonuç olarak ikinci yöntem seçilmelidir.

        Ikinci yöntem göz önünde tutuldugunda ise karşımıza yeniden iki method daha çıkmaktadır.

    1) Eksenel alan artırımı
    2) Radyal alan artırımı

        Eksenel alan artırımı basitçe fren sistemlerine ekstra bir fren diski eklemekle yapılır. Dolayısıyla 3 diskli fren sistemi, 4 diskli fren sistemine ve 4 diskli fren sistemi de, 5 diskli fren sistemine dönüşür. Böylelikle frenleme tork kapasiteleri artar ve aynı zamanda fren sistemi daha önce yapmış olduğu frenleme kuvvetinin aynısını daha az basınçla yapabilecegi için tüm fren parçalarının ömrü uzar.

        Radyal alan artırımında ise her zaman tork artırımı olmamakta veya az olmakta ancak avantaj olarak fren parçalarının ömürleri uzamaktadır. Sonuç olarak en iyi seçenek disk alan artırımıyla hem sistemin frenleme kapasitesi artmakta hem de parça dayanım ömürleri uzamaktadır. Fren sistemini 3 diskliden 4 diskliye ve 4 diskliden 5 diskliye çevrildiginde Tablo 9’daki degerlere ulaşılmaktadır.

        TEŞEKKÜR

        Bu araştırma Türk Traktör ve Ziraat Makinaları A.Ş.’nin istegi ve destegi ile yapılmıştır. Bu konudaki katkılarından ve üniversite sanayi işbirligini destekledikleri için fabrika yöneticilerine ve çalışanlarına teşekkürlerimizi sunarız.

        KAYNAKÇA

    1 Taborek, J., Mechanics of Vehicles, Resistance Forces, pp 37-41, August 22, 1957.

    2 The inquiry results of tractors customers satisfaction, Trakmak A.Ş., In the period of December 1995 - June 1996, pp 4.2.29.

    3 Shigley, J. E., Mechanical Engineering Design, pp 601-604,1986.

    4 Taborek, J., Mechanics of Vehicles, Dynamics of Braking, pp 64-70, November 14, 1957.

    5 Wong, Y., Ph.D., Theory of Ground Vehicles, Chapter 1, Mechanics of Pneumatic Tires, pp. 13, Ottawa, CANADA, 1978

    6 Wong, Y., Ph.D., Theory of Ground Vehicles, Chapter 1, Mechanics of Pneumatic Tires, pp. 26, Ottawa, CANADA, 1978

    7 Incropera, Frank P., Fundementals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Chapter 1, 1990.

    8 Incropera, Frank P., Fundementals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Appendix A, Table A.1, Iron, 1990.

    9 Incropera, Frank P., Fundementals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Chapter 8, 1990

    10 Shepley, L. Ross, Differential Equations, University of New Hampshire, 1994.