Ağır hizmet araçları için elektromekanik disk fren tasarımı
Electromechanical disc brake design for heavy-duty vehicles
Yazar: İBRAHİM CAN GÜLERYÜZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜN BAŞER
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Ağır taşıtlar = Heavy vehicles ; Disk fren = Disk brake ; Kayan kipli denetim = Sliding mode control ; PID denetleme = PID control ; Sistem dinamiği = System dynamics

Özet:
Bu çalışmada; mekanik tasarım, sonlu elemanlar analizi, sistem modelleme, sistem simülasyonu ve analizi, denetim sistemi tasarımı, ölçüm sistemi tasarımı gibi farklı disiplinleri bir araya getirerek ağır hizmet aracı elektromekanik disk fren tasarımı için bir yöntem oluşturulması amaçlanmıştır. Öncelikle elektromekanik fren sistemi dinamiğinin ve performansının araştırılabilmesi için temel bir deney düzeneği üzerinde kuvvet ve pozisyon denetleyicileri geliştirilmiştir. Doğrusal ve doğrusal olmayan sürtünme modellerini içeren sistem dinamiği modelleri Matlab/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Sistem parametreleri deneysel ölçümlerle elde edilmiştir. PID ve kaskad PID kuvvet denetleyicileri ve PID pozisyon denetleyicileri Matlab/Simulink ortamında geliştirilmiştir. Denetleyici parametreleri denetim donanımına tanımlanmıştır. Daha sonra, kuvvet ve pozisyon denetleyicilerinin performansları değerlendirilmiştir. Deney düzeneği üzerinde uygulanan model tabanlı denetleyici geliştirme prosedürü ile ağır hizmet aracı elektromekanik fren denetimi için bilimsel altyapı oluşturulmuştur. Ağır hizmet araçları için çift pistonlu ve tek pistonlu olmak üzere iki farklı elektromekanik disk fren konsepti önerilmiştir. Sıkıştırma kuvveti ve yükselme süresi gereksinimler göz önünde bulundurularak teorik hesaplamalar ile doğru akım motoru seçimi için gerekli parametreler belirlenmiştir. Otomatik boşluk ayarı, elle ayar, park freni, paketleme hacmi, üretilebilirlik gibi detaylar göz önünde bulundurularak, tahrik mekanizması tasarımları değerlendirilmiştir. Sonlu elemanlar analizlerinde tahrik mekanizması parçalarının, kaliper yuvası ve kaliper kapağının maksimum sıkıştırma kuvveti altındaki mekanik dayanımları araştırılmıştır. Daha sonra, tek pistonlu elektromekanik disk fren mekanizması prototipleri imal edilmiştir. Mekanizma kayıplarının azaltılması için prototipler üzerinde tasarım değişiklikleri gerçekleştirilerek, mekanizmanın sağladığı sıkıştırma kuvveti kapasitesi iyileştirilmiştir. Prototip deneyleri için elektromekanik disk fren sistemi parametrelerinin (motor akımı, motor açısal pozisyonu ve sıkıştırma kuvveti) ölçülmesi ve denetlenmesi için bir deney düzeni tasarlanmıştır. Tek pistonlu elektromekanik disk fren prototipleri üzerinde model tabanlı PID ve kayan kipli kuvvet denetleyicisi ve PID pozisyon denetleyicisi geliştirilmiştir. Tek pistonlu elektromekanik disk fren için doğrusal olmayan sürtünme modelini içeren sistem dinamiği modeli Matlab/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Simülasyonlar ile deneysel ölçüm sonuçları (sıkıştırma kuvveti, tahrik dişlisi açısı ve motor akımı sonuçları) karşılaştırılarak, sistem dinamiği modeli doğrulanmıştır. Ağır hizmet aracı fren performans gereksinimleri göz önünde bulundurularak, sıkıştırma kuvvetinin denetimi için PID ve kayan kipli denetleyicisi; fren diski ile balatalar arasındaki çalışma boşluğunun denetimi için PID pozisyon denetleyicisi Matlab/Simulink ortamında geliştirilmiştir. Denetleyici parametreleri fiziki denetim donanımına tanımlanarak, yük hücresi ve gerinim ölçer geri beslemeli kuvvet denetleyicisi deneyleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, kuvvet ve pozisyon denetleyicilerinin performansları değerlendirilmiştir. Son aşamada, kuvvet – pozisyon denetleyicisi değişim senaryoları uygulanarak, fiziksel sistem üzerinde farklı girdi referansları için fonksiyon testleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to compose a multi-disciplinary method for a heavy-duty electromechanical disc brake design by integrating different disciplines such as mechanical design, finite element method, system modelling, system simulation and analysis, control system design and measurement system design. Firstly, force and position controllers were developed on a basic test rig to investigate the braking dynamics and performance. The system dynamics models including linear and nonlinear friction models were constructed in Matlab/Simulink environment. System parameters were obtained by experimental measurements. PID and PID cascade force controllers and PID position controllers were developed in Matlab/Simulink environment. Controller parameters were defined to the control hardware. After that, the performances of force and position controllers were evaluated. Using the model-based controller development procedure implemented on a test rig, a scientific infrastructure has been established for heavy-duty electromechanical brake control. Two different electromechanical disc brake concepts, double piston and single piston, have been proposed for heavy-duty vehicles. Considering the clamping force and the rise time requirements, the required parameters for the selection of direct current motor were determined by theoretical calculations. Actuation mechanism designs were evaluated by considering details such as; automatic clearance adjustment, manual adjustment, parking brake, packaging volume and manufacturability. In finite element analysis, the mechanical strength of the actuation mechanism parts, the calliper housing and the calliper cover were investigated under maximum clamping force. After that, the prototypes of the single piston electromechanical disc brake mechanism were produced. To reduce the losses of the mechanism, design changes were conducted on the prototypes, and the clamping force capacity provided by the mechanism was enhanced. For prototype experiments, an experimental setup was designed to measure and control the system parameters of the electromechanical disc brake (motor current, motor angular position, clamping force). Model based PID and sliding mode controller and PID position controller have been developed on the prototypes of the single piston electromechanical disc brake. System dynamics model including the nonlinear friction model for single piston electromechanical disc brake was constructed in Matlab/Simulink environment. The system dynamics model was verified by comparison of the simulations and experimental measurement results (clamping force, actuation gear angle and motor current). PID and sliding mode controller for the clamping force control and PID position controller for the running clearance control between the brake disc and the pads were developed in Matlab/Simulink environment according to heavy-duty vehicle braking performance requirements. By defining the controller parameters to the physical control hardware, the force controller experiments were performed by loadcell feedback and strain gauge feedback. After that, the performances of the force and the position controllers were evaluated. In conclusion, the switching scenario of force – position controller was implemented and functional tests were carried out for different reference inputs on the physical system.