Aracı durduran frenleme kuvveti genellikle teker lastiği ile lastiğin üzerinde döndüğü zemin arasındaki bağlantıdan doğar. Frenleme kuvvetine hava direnci, yokuş direnci, sürtünme direnci gibi kuvvetlerin etkisi de vardır. Bu dirençleri yenen kuvvet ortadan kaldırılacak olursa taşıtın yavaşlamasına veya durmasına sözü edilen dirençler sebep olur. Diğer taraftan taşıtın yavaşlamasına yardımcı olan motorun frenleme gücü de vardır. Vites kutusu pirizdirek durumunda iken gaz pedalı bırakıldığı zaman mevcut hızı sağlamak için sarfedilen gücün takriben üçte biri kadar bir frenleme gücü oluşur.
100 km/sa. hızla giden bir taşıttan şu sonuçlar alınmıştır:
- Ayak gaz pedalından çekildiği zaman vites boş durumda iken taşıt 1100 m sonra 61 sn`de durmuştur
- Ayak gaz pedalından çekildiği zaman vites pirizdirek durumundayken taşıt 560 m sonra 36 sn`de durmuştur.
- Ayak gaz pedalından çekildikten sonra vites pirizdirek durumundayken ve fren pedalına güç tatbik edilince taşıt 65 m sonra 4 sn.`de durmuştur.
Taşıtı durdurmak için sarfedilen enerji
Frenleme sırasındaki yavaşlama ivmesi (negatif ivme) sabit olduğu kabul edilirse Newton`un ikinci atalet prensibine göre :E = e.F (kgm)
F = G / g, α
- α = F.g / G (m / sn2)
- F: Frenleme kuvveti (kg)
- G:Taşıtın ağırlığı (kg)
- g: Yerçekim ivmesi (m/sn2)
- α: yavaşlama ivmesi (m/sn2)
- E: Taşıtı durdurmak için sarfedilen enerji
Taşıtın durma mesafesi
e = E / F = v2 / 2 α (m)- v : taşıtın hızı (m / sn)
- e : Taşıtın durma mesafesi (m)
Taşıtın durması için gereken zaman
t = v / α (sn)- t : taşıtın durması için gereken zaman
Fren gücü
Gücü 80 bg olan bir motor kalkıştan 36 sn. sonra otomobilin hızını 130 km/sa. sürate çıkarabilir. Buna karşılık frenler 130 km/sa. hızla giderken tam uygulandığında aracı 4,5 sn`de durdurabilir. Bu hızdaki aracı durdurmak için geçen zaman duran aracı hızlandırmak için geçen zamanın 1 / 8`i olmaktadır. Buna göre frenlerin gücü 8 x 80 = 640 bg`dir. Fren gücü her zaman için motor gücünden yüksek olmalıdır.Maksimum frenleme
Taşıtı kullanan kimse ani bir tehlike ile karşılaşınca taşıtı mümkün olduğu kadar kısa bir zamanda ve mesafede durdurmak zorunda kalır, Bu çeşit frenlemeye maksimum frenleme denir. Maksimum frenleme kuvveti aderansa eşit kabul edilir. Frenleme kuvveti maksimum olduğu zaman durma mesafesi ve durma zamanı minimum olur.Temiz ve kuru bir asfalt yolda yavaşlama ivmesi 7 - 7,5 m / sn2 a€˜dir. Böyle bir yol pek bulunmaz. Pratikte yavaşlama ivmesi 5 - 6 m / sn2`dir.
İntikal süresi
Aracı kullanan kimsenin tehlikeyi gördüğü andan fren pedalına basmasına kadar geçen süreye intikal süresi denir. Bu süre yaklaşık 0,75 sn.`dir.Frenlemeye etki eden faktörler
- Yolun ve lastiklerin sürtünme katsayısı
- Şoförün intikal süresi*
Frenlemede ağırlığın öne kayması
- W : Ağırlığın artan miktarının yoldaki zıt tesiri.
Arka tekerleklerin yere temas noktası etrafındaki döndürme etkisi atalet kuvvetinin ön tekerlekler etrafındaki döndürme etkisini dengeler.
L.W = h.m.G
W = h, M, G / L olur.
Küçük taşıtlarda h / L genellikle 1 / 5 civarındadır. m = 0,6 alınırsa W = 0,12 G olur. Azami frenlemede taşıt ağırlığının %12`si öne kayar, Bu nedenle ön fren kuvveti arka fren kuvvetinden büyük yapılır.
Fading
Fading, ısı etkisiyle fren gücünün düşmesidir. Otomobil fren sistemindeki en büyük problem sürekli kullanımda ısınması ve belli bir sıcaklığın üzerinde balataların aşırı ısı nedeniyle kaydırmaya başlamasıdır. Bu ısınma problemini ortadan kaldırmak için üreticiler soğutmalı fren diskleri üretmektedir, Bu diskler iki katmandan meydana gelir. Disk katmanlarının arasında bulunan boşlukta sürekli hava akımı olduğundan disk aşırı ısınmaz ve balataların kaydırma sorunu azalır. Diğer bir yöntem ise fren diskleri üzerinde delikler açarak havayla temasını artırmaktır. Genellikle oto sanayi sitelerinde başvurulan bu yöntem yine ısınmayı azaltarak frenleme gücünü artırmayı amaçlar. Bu yöntemler genellikle sportif kullanıma yönelik otomobillerde kullanır. Bu çalışmalar kontrolsüz olarak yapıldığında fren diskinin dayanıklılığını azaltarak çatlama riskini artırabilir.Seramik fren diskleri
Otomobil fren sistemlerinde kullanılan seramik diskler frenleme sırasında yüksek ve sabit bir sürtünme düzeyi sağlar. Disk frenler sayesinde frenlemede ısı sorunu kalmaz ve hem fren mesafesi azalır hem de fren gücünde ısınmadan kaynaklanan azalma olmaz.Karbon seramik fren diskleri geleceğin otomobil fren teknolojisi açısından çok önemli bir yere sahiptir. Formula 1 araçlarında da kullanılan seramik diskler 1999 yılında Porsche trafından geliştirildi. PCCB (Porsche Ceramik Composit Brake) adıyla anılan sistem yüksek performanslı lüks otomobillerde kullanılmaktadır.
Seramik disklerin özellikleri şunlardır:
- Daha çabuk soğur. Yüksek ısıya dayanıklıdır.
- Toz tutmaz, normal frenlerden daha az ve açık renkte toz üretir. Bu nedenle toz tekerleklere ve disklere yapışmaz.
- Fren sesini azaltır.
- Konforlu bir sürüş hissi verir.
- Daha güçlü frenleme sağlar. Duruş mesafesini kısaltır.
- Aracın kontrolünü kolaylaştırır.
- Normal disklere göre %50 daha hafiftir.
- Normal disklere göre 4 kat daha dayanıklıdır.
- Islak kuru tüm yol koşullarında daha dayanıklı ve performanslı frenleme sağlar.
- 16000 C sıcaklığa kadar dayanıklıdır.
- Balatalar suyu emmediği için ıslak yollarda son derece güvenlidir.
Seramik disklerin dezavantajı pahalı ve az bulunan bir sistem olmasıdır.
Geleceğin frenleri
ABS, ASR ve FDR
Anti-Blokaj Sistemleri (ABS)1978 yılında ABS sistemleri Bosch tarafından ilk üretici olarak araçlarda kullanıldı. Günümüzde trafik güvenliği açısından önemli katkılar içermekte ve kritik fren anlarında aracın direksiyon ve sürüş güvenliğini sağlamaktadır. Anti-Patinaj Sistemleri (ASR)1987 yılında Bosch ilk üretici olarak ABS sisteminin daha gelişmişi olan ASR sistemini piyasaya sürmüştür. ASR sistemi ilk kalkışta ve hızlanmada, tahrik tekerleklerinin aşırı dönmesini engelleyerek, aracın güvenli hareketini sağlar. Bu sistemin diğer kısaltılmış adı ingilizce anlamından dolayı ETC (Electronic Traction Control) olarak da bilinir.Araç Dinamik Kontrolü (FDR)Her türlü sürüş anında güvenliği sağlamak üzere Bosch 1995 yılında FDR sistemini aktif sürüş emniyetini sağlamak üzere üretime almıştır. Özellikle virajlarda ve ani yol değişikliklerinde FDR sistemi, yıldırım hızı ile motor, şanzıman ve frene müdahale ederek aracın savrulmasını önler. Bu sistemin diğer kısaltılmış adı ingilizce anlamından dolayı VDC (Vehicle Dynamic Control) olarak da bilinir.FDR sisteminin can noktası olan devir sensörü havacılıktan alınmış ve Bosch tarafından otomobiller için modernize edilmiştir. Son yıllarda Bosch bu üç farklı sistemi bir ünitede topladı, bu yeni sistemi ESP (Elektronik Stabilite Sistemi) olarak adlandırdı. Bu sistem sayesinde sürüş güvenliği daha da artırıldı. Bu sistemin diğer bir avantajı da düşük maliyeti nedeniyle, sadece yüksek sınıf otomobillerde değil bundan böyle orta sınıf araçlarda da standart olarak bulunacak olması.
Bosch, fren sistemlerinde yaklaşık bir asırdır kullanılan konvensiyonel yapıya son vermek için çalışmalar yapıyor. Bu yeni sistemler EHB (Elektro Hidrolik Fren Sistemleri) ve EMB (Elektro Mekanik Fren Sistemleri) olarak adlandırılıyor. Bunlar sayesinde gelecekte, elektronik sistemler ve dolayısıyla sadece teller vasıtası ile bir aracı durduracağız. EHB (Elektro Hidrolik Fren Sistemleri), DaimlerChrysler ile birlikte ortak bir proje olarak başlatılmış ilk proje.
Konvensiyonel fren
Otomobili yavaşlatmak veya durdurmak için fren pedalına basarız. Konvensiyonel fren sistemlerinde fren pedalına uyguladığımız kuvvet, fren pedalı kolunun uzunluğuna göre 3/1 oranında artırılarak servo frene aktarılır. Hidrolik çalışma prensiplerine göre bu kuvvet 50 katı artırılır. Hidrolik fren yağı sayesinde direkt teker frenlerine iletilen bu kuvvet, aracın durması için fren balatalarına baskı yapar.Elektro Hidrolik frenler
EHB sisteminde, fren pedalı bir tel sistemi ile aracın elektronik beynine bağlanır. Pedalın görevi yine aynı. Aracı durdurmak... Ama bu kez fren pedalına basış hızınız ve çokluğunuza göre, sistem ne kadar acil bir fren gereksinimine ihtiyaç olduğunu anlıyor. Elektronik fren beyni bu ve diğer araç bilgilerini birleştirerek her tekere gerekli fren kuvvetini hesaplıyor. Gerekli fren basıncı, merkezi hidrolik ünitesinde oluşturuluyor. Eğer elektrik sisteminde herhangi bir hata ortaya çıkarsa, direkt olarak yedek hidrolik fren ünitesi devreye giriyor.Günümüzde araç fren pedalına uygulanan mekanik kuvvet, servo fren ve ana merkez üzerinden fren hidroliği sayesinde hidrolik kuvvet olarak tekerlere iletilir ve frenleme gerçekleşir. Geleceğin fren sistemlerinden Elektro-Hidrolik Frenlerde, fren pedalına uygulanan kuvvet, pedal hareketini algılayan bir sensör sayesinde sürekli gözlemlenecek ve buradaki değişiklik elektronik beyin ünitesine iletilecektir. Burada hemen şu konuyu daha geniş olarak açıklamakta yarar var: yeni sistemde fren ayak pedalına uygulanan kuvvet, sadece fren yapılması gerektiğini sisteme haber veren bir ön uyarı şeklinde olacak. Başka bir deyişle, günümüz frenlerinde pedal kuvveti direkt olarak fren gücünü oluşturmakta idi, fakat yeni sistemde pedal kuvveti sadece sürücünün aracın frenleme tertibatını harekete geçireceği bir ön işaret olacak. Elektronik beyine ulaşan bu frenleme bilgisi, araç içerisindeki bir elektro-motorun, beyinden gelen mesajla devreye girmesini, aracın durdurulabilmesi için fren gücünü üretmesini ve yine fren hidroliği vasıtası ile aktarılan güç sayesinde aracın durdurulmasını sağlayacak.Geleceğin frenlerinde de fren hidroliği kullanılacak, fakat buradaki en büyük fark, fren hidroliğin çalıştığı alanın çok fazla daralacak olması. Günümüzde fren pedalından hemen sonra tekerlere kadar büyük bir alan içerisinde fren güç iletimini sağlayan fren hidroliği, gelecekte yeni Bosch dizaynı ile sadece elektro-motor ve tekerler arasında güç iletimini gerçekleştirecek.Bu da gelecekte Konvensiyonel sistemlerle karşılaştırıldığında daha güçlü, daha emniyetli ve kontollü frenlemeyi mümkün kılacak.
EHB sistemi ağırlığı önemli ölçüde azaltılmış, daha küçük bir montaj alanı gerektiren ve servo fren içermeyen bir sistem. Ek olarak, araca montajı da modüler fren sistem dizaynı sayesinde çok daha kolay. Her tekerde bulunan fren kuvvet modülasyonu ile kombine olarak çok hızlı çalışması nedeniyle optimum fren mesafesinde ve güvenilir frenleme sağlıyor. Böylece EHB, frenleme esnasında otomatik olarak fren gücünü artırırken, buna paralel olarak frenlemenin doğurduğu fiziksel etkileri de azaltıyor.EHB, sürücüye yardımcı olan diğer birçok tamamlayıcı sistemle de birlikte çalışabiliyor. Örneğin, acil frenleme esnasında fren kuvvetini çok seri artıran ileri fren destek sistemleri veya yokuş aşağı sabit hızda inmeyi sağlayan sistemlerle birlikte çalışabiliyor. ACC (Adaptive Cruise Control) sisteminden başlayarak trafik navigasyon sistemlerine kadar araç üzerindeki diğer tüm sistemlerle bir şebeke sistemi kurarak haberleşebiliyor.Sürücü için minimum frenleme kuvveti, titreşimsiz ve ayarlanabilir hafif bir fren pedalı duygusu sağlaması ve frenlemenin son derece sessiz gerçekleşmesi sürüş rahatlığını artıran çok önemli bir faktör.Ayrıca EHB çok daha yüksek emniyet koşulları sağlıyor. Aracın tüm sistemlerinden gelen bilgiyi anlık olarak değerlendiren ve frenleme parametrelerini aracın o anki pozisyonuna, yol şartlarına göre belirleyen bu sistem gerçekten geleceğin araçlarına büyük bir güven sunuyor. EHB sistemi konvensiyonel fren sistemlerinden sonra kullanılacak birinci nesil fren sistemi. İkinci nesil ise EMB Elektro Mekanik Fren Sistemleri.