Otomotiv fren disk tasarımı için ısı transfer karakteristiği incelenmesi
Investigation of heat transfer characteristic for automotive brake disc design
Yazar: ÖZNUR ÇETİN GİRAY
Danışman: PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, ağır ticari araçlarda yük taşıma kapasitesindeki artış talepleri ve zorlayıcı kullanım koşulları, araç sistemlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bir araçta fren sistemi en kritik aktif güvenlik sistemlerinden biri olarak tanımlanmaktadır. Fren sistemi tasarımı, zorlayıcı yükleme şartlarında yeterli dayanımı sağlayacak şekilde yapılmalıdır. Ayrıca, sistem çalışma şartlarında yüksek sıcaklıklara ulaştığı için ısının ortamdan uzaklaştırılması, dayanıklılık ve performans için önemli bir konudur. 

Fren sistemi tasarımında değerlendirilen diğer önemli bir konu ise ağırlıktır. Araçların yakıt tüketimi azaltma hedefi doğrultusunda, sistemlerde ağırlık azaltma gereksinimleri ortaya çıkmaktadır. Sistemlerin dayanıklı ve aynı zamanda hafif olması için otomotiv üreticileri kapsamlı çalışmalar yapmaktadır. 

Araçlarda; frenleme sonrasında kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümü ile birlikte fren sistemindeki tüm komponentlerin sıcaklığı yüksek değerlere ulaşmaktadır. Oluşan ısının ortamdan uzaklaştırılması yüksek oranda taşınım yoluyla gerçekleşmektedir. Fren diskinde hedeflenen ısı transferi oranı; disk komponentinin tasarımının optimizasyonu ile önemli ölçüde artırılabilir; dolayısıyla fren sisteminin çalışma kapasitesi ve  performansı artırılmış olur. 

Disk yüzeyinden ısının homojen olarak uzaklaştırılması da önemlidir. Aksi halde disk yüzeyinde sıcaklık farkı oluşur, bu sebeple iç yapıda termal gerilmeler ve mikroçatlaklar oluşabilir. Bu durum fren sisteminin performansı ve  disk dayanımının düşmesine sebep olur. Fren sistemi parçalarında termal iletkenlik , özgül ısı kapasitesi , yüksek sıcaklıklara dayanıklı yüksek mukavemet , düşük yoğunluk gibi özellikler sistem tasarımında önem teşkil etmektedir.

Bu çalışmada: ağır ticari araçlarda kullanılan fren disk tasarımı incelenmiştir. Üzerinde havalandırma kanatları olmayan 'düz disk' ve üzerinde havalandırma kanatları bulunan  'düz kanatçıklı' ve 'elmas sütunlu' disk tasarımları, 2 farklı araç hızında; 30 km/h ve 70 km/h disk yüzeyinden ısı transferi miktarı, disk yüzeyindeki hava hız vektörlerinin homojen dağılımı, havanın kütlesel debisi; teorik ve bilgisayar destekli analiz (HAD) yöntemiyle incelenmiştir. Havalandırma kanallı 2 disk tasarımı termal yükleme altında test  edilerek, deneysel olarak doğrulanması hedeflenmiştir.

Abstract:
Nowadays, demands for increased load capacity in heavy commercial vehicles, increasing transport demands such as demanding conditions of use, it requires an increase in the capacity of the basic systems of vehicles. In a vehicle; the braking system is defined as one of the most critical active safety system. The design of the brake system must be created in such a way as to provide sufficient strength. In addition, as the system reaches high temperatures under operating conditions, removing heat is an important issue for durability and performance.

Another important consideration in the design of the brake system is weight. The goal of reducing fuel consumption of vehicles, weight reduction requirements arise in the systems. Automotive manufacturers work intensively to ensure that the systems are durable and lightweight at the same time.

After braking activity; kinetic energy of vehicle converts to heat energy, so the temperature of all components in the braking system reaches high values. In order to remove the heat from disc surface; convection heat transfer should be increased on disc surface. Heat transfer ratewhich is target level; can be significantly increased by optimization of the disc component. Hence, the operating capacity and performance of the braking system is increased. Brake system components must have termal conductivity, specific heat capacity, high temperature resistance high strength, low density.
The brake discs rotate in the air at high speeds in the moving vehicle, so that the heat is removed via high rate convection heat transfer. It is critical that the disc cools homogeneously. Due to the temperature difference on the disc surface, thermal stresses and micro cracks may be occurred on the disc surface.

In this study; brake disc design used in heavy commercial vehicles is investigated. Solid disc design (without ventilation pillars) and straight vane and diamond pillar disc design on two different vehicle speeds; 30 km/h and 70 km/h heat transfer, homogeneous distribution of air velocity vectors on disc surface, mass flow of air were examined by theoretical and computational fluid dynamics analysıs method. Two ventilated types; as 'straight vane' and 'diamond pillar' discs were tested under thermal loading and discs strenght were examined.