Elektronik Kamalı Fren – Wedge Brake

Tarihçe: Söz konusu tasarım, Münih yakınlarındaki Alman havacılık ve uzay araştırmaları merkezi DLR’de geliştirilmiştir. Otomotiv alanındaki çalışmalarına “kama prensibini” uygulama girişimleri sonrası bir grup araştırmacı, enstitüden ayrılarak 2000 yılında eStop adını verdikleri küçük bir şirket kurmuşlardır. Şirket, daha önce bu sektörde yer almayan sektör adına sadece elektrik park frenleri, ABS sistemleri için elektronik kontrol ünitesi (ECU) ve motor üreten Siemens VDO tarafından satın alınmıştır ve Siemens sektörde beklenmedik bir rekabet yaratacağının sinyallerini vermiştir.

Siemens VDO Automotive AG, 2005 yılının başında, elektronik kama fren teknolojisi ile otomotiv fren pazarına girmek için yenilikçi eStop şirketini satın aldı. EStop’tan önceki yayınlar, standart 12V güç kaynağı sistemini kullanarak modern fren sistemlerinde gerekli olan yüksek dinamikleri ve yüksek frenleme torkunu EWB kavramının üretebildiğini göstermiştir. Bu, ilk prototipin otomatik bir dinamometre üzerinde test edilmesiyle ilk kez kanıtlandı.

Başlangıçta hizmet verilen atlı arabalar için bir fren olarak, otomobilin kama prensibinin (Electronic Wedge Brake, EWB) uyarlanması iki grup tarafından ilerletildi. Siemens VDO ve Continental, iki faklı teknik yaklaşımı takip eden bu fren devriminin 2007 yılına kadar serisi için bir yarış çıkardı. Bu yarışma, Continental’in Siemens VDO’yu satın almasıyla dramatik bir şekilde değişti.

Siemens VDO’nun Continental’e 2007’de satılmasından hemen önce, genel sisteme planlanan büyük çaplı planlama olmadan, kama freninin standart 12V sistemine göre 2010 yılında standart araçlara monte edilebileceğinden emindi. Dâhili fren prototipleri içeren test arabaları zaten Polarkreis’de çalışıyordu ve frenleme freninin fren mesafesini, kısa yanıt süresinden dolayı önemli ölçüde kısalttığını gösterdi.

Bunun nedeni, ana fren silindirinden fren hatları vasıtasıyla tekerlek fren silindirine zaman ayarlı bir basınç birikimi gerektirmeyen elektronik kama freninin daha hızlı tepki vermesidir. Hidrolik frende 120 milisaniye yerine, testler sadece 80 milisaniyeye ihtiyaç olduğunu gösterdi.

Söz konusu tasarım, sadece 12 Volt’luk güç kaynağı ile çalışabilmektedir. 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.

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

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.

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 ise gerek duyulan frenleme kuvvetini azaltacaktır. Söz konusu tasarımındaki temel amaç da frenleme için gerekli kuvveti azaltmaya yöneliktir.

EWB ile fren mesafesi kısalıyor:

Siemens tarafından geliştirilen Elektronik Takoz Freni (EWB) karlı ve buzlu yollarda fren mesafesini yüzde 15’e kadar azaltabiliyor. Kuzey İsveç’te yapılan testlerde, ilk denemelerde saatte 80 kilometre hızla giden bir aracın durma mesafesi 64,5 metre olarak tespit edildi.

Aynı hızda giden hidrolik fren ve ABS donanımlı benzer bir araç ise fren yaptıktan 75 metre sonra durabiliyor. Bir başka deyişle EWB donanımlı araç tam olarak durduğunda, hidrolik frenli araç 30 km/s hızda hala hareket ediyor.

Yapılan bu testler sonucunda şimdiye kadar EWB sisteminin modellerde gösterilen fren mesafesini kısaltan özelliği doğrulanmış oldu. EWB, herhangi bir hidrolik sistem olmadan çalışması nedeniyle fren teknolojisinde bir devrimi temsil ediyor. Arabadaki her bir tekerin, fren çatalı, disk, pedal ile donatılmış kendi ayrı ünitesi bulunuyor ve bunların tümü elektronik olarak kontrol ediliyor.

EWB sisteminin tam ortasında silindir şeklindeki takoz yatak mekanizması bulunuyor. Bu mekanizmada silindir yatağı hareket ettiren elektrikli motor, minimum miktarda enerji ile güçlü bir fren etkisi oluşturabiliyor. Elektrik motoru fren pedalını, silindir yatağı üzerinde en iyi fren etkisini almak için gereken en doğru yerde tutuyor. Bu sırada sensörler saniyede 1000 kez fren pedalını izliyor.

Bugün hemen hemen tüm araçlarda kullanılan hidrolik sistemler, ABS ve servo fren gücüne bağlı olmalarına rağmen EWB’den daha yavaş tepki veriyorlar. Fren pedalına uygulanan basıncın hidrolik sisteme gönderilmesi için geçen bu sürede çok önemli milisaniyeler kaybediliyor. Kullanılmaya başlanmasıyla hidrolik fren sıvısı ihtiyacını ortadan kaldıracak EWB’de ise her şey elektronik olarak gerçekleşiyor.

Şekil: Çözülmüş buz üzerinde 80km/h ile durma mesafesi
Kırmızı araba: ABS kontrollü hidrolik fren
Mavi araba: ABS kontrollü elektronik kamalı fren

Özetle;

Elektronik kamalı freninin (EWB) arkasındaki temel fikir aracın kendi kinetik enerjisini bir frenleme kuvvetine dönüştürmektir. Frenleme esnasında, kama bağlanan bir fren pedi, fren pabucu ve fren diski arasında basılır. Aracın kinetik enerjisiyle yönlendirilen tekerleğin dönüşü, kamalama etkisini otomatik olarak yükseltir. Böylece, çok az çaba ile çok büyük bir frenleme kuvveti oluşturulabilir. Akıllı bir kontrol sistemi, fren kancasının sıkışmasını önler. EWB’nin başlıca avantajları, özellikle ABS modunda hızlı tepkiler ve düşük enerji tüketiminde sabit fren basıncıdır.

Prensip: Kama freni açıkken fren diski serbestçe döner ve tekerlek frensizdir. Kama freni uygulandığında, tekerlek kendi hareketini kullanır. Bu nedenle, kama konumunda ufak bir değişiklik, fren diskinde yüksek bir frenleme basıncına neden olur.

Çalışma Prensibi

1. Elektrik motoru
2. Tahrik mili
3. Dış plaka
4. Rotor
5. İç plaka
6. Rulmanlar
7. Fren Pabucu

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.

Kuvvet dengesinden aşağıdaki formül türetilebilir:

ifadesi karakteristik fren faktörü olarak tanımlanmaktadır

Self-reinforcement (kendiliğinden frenleme) nedir?

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.

EWB (Electronic Wedge Brake) Kullanım Alanları

1. Asansör
2. Binek Araçlar
3. Ağır vasıta
4. Traktörler
5. Vinçler
6. Tornalama ve Frezeleme Makineleri
7. Konveyörler
8. Yürüyen merdiven
9. Demir yolu araçları

EWB’nin Faydaları

• ABS performansı, özellikle kaygan yollarda ve kısa mesafede durmada iyileştirildi.
• Sürekli fren gücü
• Bakım aralıkları uzun ve çevre dostu fren sistemi
• Bağımsız montaj konumu (sol ya da sağdan direksiyonda)
• 12 Volt ile frenleme
• Bireysel adaptif fren karakteristiği.

Hidrolik Fren ve EWB’nin karşılaştırılması

Hidrolik Fren Sistemi

1. Fren kaliperi
2. Fren pedalı
3. Hidrolik boru
4. Vakum pompa
5. El freni
6. Fren güçlendirici
7. ESP

EWB

1. EWB kaliperi
2. e-Pedal
3. Yedek batarya
4. Fren merkez kontrolü