Bir binek araca ait fren diskindeki hataların titreşim parametreleri ile tespiti

Abstract

Araçlarda fren sistemleri, aracın güvenli bir şekilde yavaşlaması ve durması amacına hizmet eden önemli bir yere sahiptir. Fren diskleri bu sistemin en önemli elemanlarından olup hatasız üretilmeleri büyük önem arzetmektedir. Çoğunlukla gri dökme demir malzemeden döküm yolu ile elde edilen fren diskleri, döküm sonrası talaşlı imalat aşamalarından geçerek üretilmektedir. Üretim aşamasında disk yapısında herhangi bir hata bulunmaması gerekmektedir. Disk üretiminde hata tespiti için sık kullanılan yöntemlerden biri diskin doğal frekanslarının kontrolüdür. Bu yöntem parça üzerinde bir hasar bulunması durumunda parçaya ait doğal frekansların değişmesi prensibine dayanır. Hasarlı parçanın doğal frekansları, sağlam parçanın doğal frekanslarıyla karşılaştırıldığında belirli bir miktarda düşme gözlemlenmektedir. Böylece diskin hasarlı olup olmadığı anlaşılabilir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmada, modal parametreler vasıtasıyla fren diskinin fonksiyonel kısımları olan balata ile temas yüzeyleri üzerinde çatlak şeklinde bir hasar bulunması durumunda, bu hasarın disk merkezinden uzaklığı, uzunluğu, yönelme açısı ve derinliği gibi parametrelerin tespiti amaçlamıştır. Bunun için öncelikle bir fren diskinin deneysel modal analizi yapılarak titreşim modları ve bu modlara ait doğal frekansları tespit edilmiş, bu veriler kullanılarak sonlu elemanlar analizi için bilgisayar ortamında yapılan modeller güncellenmiş ve böylece deneysel verilerle uyumlu bir sonlu eleman modeli elde edilmiştir. Ardından, tespit edilmesi amaçlanan hasar tipleri için deney tasarımı yapılmış ve hasar parametrelerinin alabileceği değer aralıkları için tasarım uzayı elde edilmiştir. Tasarım uzayı oluşturmada merkezi kompozit tasarım yöntemi kullanılmıştır. Sonrasında belirlenen hasar tiplerine ait parametreleri bulacak matemetik modeller elde etmek için cevap yüzeyi yönteminden yararlanılmıştır. Bu yöntemin seçilmesinin sebebi sonuca ulaşmak için daha az işlem hacmi gerektirmesi ve dolayısıyla daha hızlı olmasıdır. Alternatif bir yöntem olarak adaptif çok amaçlı optimizasyon yöntemi ile de analizler tekrarlanmış ve cevap yüzeyi yöntemine göre daha fazla sayıda işlem ile sonuca ulaşıldığı görülmüştür. Yapılan çalışmada hasarın büyüklüğü arttıkça modelin hasar parametrelerinin tespitinde daha iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir.

Brake systems in vehicles have an important role for safely slowing down and stopping the vehicle. Brake disc is one of the most significant parts of this system, and it is important to be faultless. Brake discs are generally manufactured by casting of grey cast iron followed by machining operations. There should not occur any defects such as cracks, dimensional inconsistencies in the disc structure during manufacturing process. One of the common methods for defect detection in a brake disc is to monitor its natural frequencies. This method is based on the principle that natural frequencies of the disc change because of defects. In other words, there occurs a certain amount of decrease on the damaged disc's natural frequencies compared to the healthy disc. By this way, existence of a crack like defect can be identified. In this thesis, it is aimed to determine the distance from the disc center, length, orientation angle and depth parameters of a crack like damage on the functional surfaces of a brake disc. For this purpose, first, experimental modal analysis of a brake disc is performed to determine the natural frequencies and the mode shapes for updating the finite element model of the disc. By this way, a realistic model is obtained which is compatible with the experimental data. Then, design of experiment using the central composite design method is carried out for the damage parameters so that a suitable design space is obtained. Later, response surface method is applied to obtain mathematical models including crack parameters and the natural frequencies. It is observed that, with the developed mathematical models, crack lengths and depths could be determined with admissible amount of errors for certain damage cases. As a second way, crack parameters of the disc are obtained through an optimization procedure based on adaptive multiple objective optimization method. However, compared to the response surface based approach proposed in this thesis, it is observed that the optimization based method needs more computational time and effort. Besides, it is valid only for a certain damage case, i.e. if the same disc with different damage state is considered, the optimization should be repeated, which requires more computational time and effort. However, the introduced approach is more general than the optimization based method considering that the developed mathematical models may be used for the same disc with different damage scenarios.