Bremsenquietschen: eine Literaturübersicht

Abstrakt

  Das Bremsenquietschen, das normalerweise im Frequenzbereich zwischen 1 und 16 kHz liegt, war eines der schwierigsten Anliegen, die Kraftfahrzeugbremssysteme seit ihrer Einführung betreffen. Sie verursacht Unzufriedenheit beim Kunden und nimmt zuGarantiekosten Obwohl seit den 1930er Jahren umfangreiche Forschungen zur Vorhersage und Beseitigung von Bremsenquietschen durchgeführt wurden, ist es immer noch ziemlich schwierig, deren Auftreten vorherzusagen. In diesem Artikel werden die Eigenschaften und der Strom dargestelltSchwierigkeiten beim Bremsenquietschen werden zuerst beschrieben. Anschließend wird ein Überblick über die analytischen, experimentellen und numerischen Methoden zur Untersuchung des Bremsenquietschens gegeben. Einige der Herausforderungen, denen das Bremsen quietschen mussForschung ist skizziert. Alle Rechte vorbehalten.

 Einführung

  Das Quietschen der Bremse war eines der schwierigsten Anliegen, die mit Bremssystemen für Kraftfahrzeuge seit ihrer Einführung verbunden sind. Forschungen zur Vorhersage und Beseitigung von Bremsenquietschen wurden seit den 1930er Jahren durchgeführt [1,2]. Anfangs TrommelBremsen wurden aufgrund ihres umfangreichen Einsatzes in frühen Automobilbremssystemen untersucht. Scheibenbremssysteme werden jedoch in modernen Fahrzeugen umfangreicher eingesetzt und stehen im Fokus der Bremsenquietschungsforschung.

Fig. 1 und 2 zeigen ein typisches Scheibenbremssystem mit einem Bremssattel-Design. Ein Scheibenbremssystem besteht aus einem Rotor, der sich um die Radachse dreht. Die Bremssattelanordnung ist an dem Fahrzeugaufhängungssystem montiertdurch einen Anker

Abb. 1: Ein typisches Bremssystem der ersten Klasse.

Abb. 2. Schema einer Scheibenbremse.

Halterung. Das Bremssattelgehäuse kann durch die beiden Stifte auf dem Ankerbügel gleiten. Bremsbeläge mit gegossenem Reibungsmaterial können auch auf der Ankerbügel gleiten. Ein Kolben kann innerhalb des Bremssattelgehäuses gleiten. Wenn Hydraulikdruck istangelegt, wird der Kolben nach vorne gedrückt, um den inneren Belag gegen den Rotor zu drücken, und in der Zwischenzeit wird das Gehäuse in die entgegengesetzte Richtung gedrückt, um den äußeren Belag gegen den Rotor zu drücken, wodurch ein Bremsmoment erzeugt wird.

  Wie bei allen anderen Anwendungen mit Reibungsschnittstelle sind Geräusche und Vibrationen Nebenprodukte der Bremsanwendung. Bremsgeräusche und -vibrationen wurden gemäß ihrer Häufigkeit als Ruckeln, Stöhnen, Brummen, Quietschen und Quietschen klassifiziertund Drahtbürste [3]. Das besonders störende Quietschgeräusch fällt üblicherweise in einen Frequenzbereich von 1 bis 16 kHz.

  Das Bremsenquietschen wird durch die Vibration eines instabilen Vibrationsmodus des Bremssystems erzeugt. In diesem Zustand kann der Bremsrotor als Lautsprecher dienen, da er große ebene Flächen hat, die leicht Schall abstrahlen können. Das Auftreten vonBremsenquietschen ist ein Problem, da es den Fahrzeuginsassen erhebliche Unannehmlichkeiten bereitet und zu Unzufriedenheit der Kunden und erhöhten Garantiekosten führt. Leider hat die umfangreiche Forschung über Bremsenquietschen versagtbieten ein vollständiges Verständnis oder die Fähigkeit, sein Vorkommen vorherzusagen [1–26]. Dies liegt zum einen an der Komplexität der Mechanismen, die ein Bremsenquietschen verursachen, und zum Teil an der Konkurrenzfähigkeit des AutomobilsIndustrie, die den Umfang der kooperativen Forschung begrenzt, der in der offenen Literatur veröffentlicht wird.

  Obwohl Yang und Gibson 1997 eine umfassende Überprüfung des Bremsquietschens durchführten [4], konzentrierte sie sich bis zu einem gewissen Grad auf die materiellen Aspekte eines Bremssystems. Das Ziel dieses Papiers ist es, die Eigenschaften undderzeitige Schwierigkeiten bei der Bekämpfung von Bremsenquietschen und Überprüfung der analytischen, experimentellen und numerischen Methoden zur Untersuchung von Bremsenquietschen.

Eigenschaften des Bremsenquietschens

  Einer der größten Beiträge zum Bremsenquietschen ist das Reibungsmaterial, da die Quietschanregung an der Reibungsgrenzfläche auftritt und es normalerweise ungefähr 12 Monate dauert, um die Auswahl des Reibungsmaterials abzuschließen. Dies sicherlichmacht es sehr schwierig, a priori die Neigung eines Bremssystems zum Quietschen vorherzusagen. Auch bei der Gestaltung eines Bremssystems werden Anforderungen wie Bremsleistung, Kosten und einfache Herstellung oft vorrangig behandelt. Das GemeinsameDie Praxis, dass die verschiedenen Komponenten eines Bremssystems von verschiedenen Lieferanten hergestellt werden, erschwert die Angelegenheit zusätzlich. Die große Anzahl der produzierten Fahrzeuge bedeutet, dass selbst eine geringe Neigung zum Quietschen bei der Erstprüfung von festgestellt wurdeEin Bremssystem kann aufgrund einer viel größeren Bevölkerungsgröße zu einem Hauptanliegen werden, sobald ein Fahrzeug in Produktion ist. Änderungen gegen Ende der Entwicklungsphase haben zwei potenzielle Risiken:

  (1) führt zu Verzögerungen in der Produktion und zu erhöhten Kosten sowohl für die Brems- als auch für die Fahrzeughersteller und (2) zu Produkten, die nicht vollständig mit potenziellen Bedenken hinsichtlich der Feldgarantie validiert sind.

  Die bedeutendste Komplikation in der Bremsenforschung ist die flüchtige Natur des Bremsenquietschens; Das heißt, Bremsenquietschen kann manchmal nicht wiederholbar sein. Es gibt viele mögliche Quietschfrequenzen (instabile Modi) für ein Bremssystem. Jedereinzelne Komponente hat ihre eigenen natürlichen Modi. Die Anzahl der Modi für einen Rotor im menschlichen Hörbereich kann bis zu 80 betragen. Die Modalfrequenzen und -formen des Rotors, des Bremssattels, des Ankers und des Pads ändern sich, sobald diese Teile vorhanden sindvor Ort installiert. Während einer Bremsanwendung werden diese Teile dynamisch miteinander gekoppelt, was zu einer Reihe gekoppelter Vibrationsmodi führt, die sich von den komponentenfreien Vibrationsmodi unterscheiden. Die Hinzufügung der ReibungKupplungskräfte an der Reibungsgrenzfläche führen zu der Steifigkeitsmatrix für das System, das unsymmetrische, nicht diagonale Kopplungsterme enthält. Aus Stabilitätsgesichtspunkten wird diese Kopplung als Hauptursache der Bremse angesehenquietschen. Ein Bremssystem quietscht möglicherweise nicht immer unter den gleichen Bedingungen. Alternativ können kleine Schwankungen der Betriebstemperatur, des Bremsdrucks, der Rotorgeschwindigkeit oder des Reibungskoeffizienten zu unterschiedlichem Quietschen führenNeigungen oder Frequenzen. Fig. Die 3 und 4 zeigen das prozentuale Vorkommen von Bremsenquietschen, das bei PBR Automotive Pty Ltd unter Verwendung eines Geräuschprüfstands vom Typ Rubore-Bremse und einer AK-Geräuschmatrix für verschiedene Bremsdrücke und -temperaturen erhalten wurdebeziehungsweise. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass es keine einfache Beziehung zwischen dem prozentualen Auftreten und der Häufigkeit des Bremsquietschens und dem Bremsbelagdruck gibt. Ebenso ist der Temperatureinfluss sowohl auf das Auftreten als auch auf die Temperatur zurückzuführenund die Frequenz des Bremsenquietschens ist ziemlich komplex (4).

  Aufgrund der oben genannten Schwierigkeiten bei der Gestaltung eines geräuschfreien Bremssystems waren die Bemühungen zur Beseitigung des Bremsquietschens weitgehend empirisch, wobei problematische Bremssysteme von Fall zu Fall behandelt wurden. Der Erfolg dieserDie empirischen Daten hängen von dem Mechanismus ab, der für das Quietschproblem verantwortlich ist. Die grundlegendste Methode zur Beseitigung des Bremsquietschens besteht darin, den Reibungskoeffizienten des Belagmaterials zu reduzieren [5–7]. Dies jedochverringert offensichtlich die Bremsleistung und ist keine zu bevorzugende Methode. Die Verwendung von viskoelastischem Material (Dämpfungsmaterial) auf der Rückseite der Rückplatte kann wirksam sein, wenn eine signifikante Biegungsvibration des Kissens auftritt [8,9]. ÄndernDie Kopplung zwischen Belag und Rotor durch Veränderung der Bremsbelagform hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen [10,11]. Andere geometrische Modifikationen, die erfolgreich waren, umfassen das Ändern der Bremssattelsteifigkeit [12, 13], des BremssattelsMontagewinkel [14,15], Polsterbefestigungsmethode [16] und Rotorgeometrie [17,18].

Abb. 3. Variation des Auftretens von Bremsenquietschen mit Frequenz und Bremsbelagdruck.

Abb. 4. Variation des Auftretens von Bremsenquietschen mit Frequenz und Temperatur.

Analyse des Bremsenquietschens

  analytische Methoden

  Die frühesten Forschungen zum Bremsenquietschen ließen vermuten, dass die Veränderung des Reibungskoeffizienten mit der Gleitgeschwindigkeit die Ursache war [19]. Es gibt nicht nur einen Unterschied zwischen dem statischen und dem dynamischen Reibungskoeffizienten, sondern es war auch soIch glaube, der Rückgang der kinetischen Reibung mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit könnte zu einem Stick-Slip-Zustand und zu einer selbst erregten Vibration führen. Es wurde jedoch gezeigt, dass Quietschen in Bremssystemen auftritt, bei denen der kinetische Koeffizient vorliegtDie Reibung ist konstant [20] und hat zu einer Analyse der geometrischen Aspekte eines Bremssystems geführt.

  Spurr schlug ein frühes Spraggleitmodell vor, das 1961 eine geometrische Kopplungshypothese beschreibt [6]. Man betrachte eine Strebe, die in einem Winkel θ zu einer Gleitfläche geneigt ist, wie in Fig. 5 (a) gezeigt.Dabei ist µ der Reibungskoeffizient und L die Last. Es ist ersichtlich, dass sich die Reibungskraft der Unendlichkeit annähert, wenn sich µ cot θ nähert. Wenn µ = cot θ ist, springt die Strebe und blockiert und die Oberfläche kann sich nicht weiter bewegen. SpurrsDas Spraggleitmodell bestand aus einem doppelten Ausleger, wie in Fig. 5 (b) gezeigt. Hier ist der Arm O0P in einem Winkel θ0 zu einer sich bewegenden Oberfläche geneigt. Der Arm wird sich um einen elastischen Drehpunkt O0 drehen, wenn sich P unter dem Einfluss der Reibungskraft bewegtF wenn der Spragwinkel erreicht ist. Schließlich wird das der Drehung um O0 entgegengesetzte Moment so groß, dass O00P O0P ersetzt und der Neigungswinkel auf θ00 reduziert wird. Die in O0 gespeicherte elastische Energie kann jetzt freigegeben werdenund der O0P schwingt in entgegengesetzter Richtung zur sich bewegenden Oberfläche. Der Zyklus kann jetzt erneut beginnen, was zu einem Schwingungsverhalten führt.

  Andere erweiterten diese Idee, um ein Bremssystem vollständiger zu modellieren. Jarvis und Mills verwendeten einen Ausleger, der 1963 an einer rotierenden Scheibe rieb [21], Earles und Soar 1971 ein Nadelscheibenmodell [22] und Northsein Modell mit acht Freiheitsgraden im Jahr 1972 [23]. Der Höhepunkt dieser Bemühungen war ein von Millner 1978 veröffentlichtes Modell [24]. Millner modellierte die Scheibe, den Bremsbelag und den Bremssattel als ein Modell mit 6 Freiheitsgraden und einem guten ParametermodellÜbereinstimmung zwischen vorhergesagtem und beobachtetem Quietschen. Mithilfe komplexer Eigenwertanalysen wurde bestimmt, welche Konfigurationen instabil sein würden. Zu den untersuchten Parametern gehörten der Reibungskoeffizient des Kissens, der Young'sche Modul des Polstermaterials,und die Masse und Steifigkeit des Bremssattels. Es wurde festgestellt, dass die Neigung zum Quietschen mit dem Reibungskoeffizienten steil ansteigt, aber ein Quietschen würde unter einem Grenzwert von 0,28 nicht auftreten. Er fand das für einen konstanten Reibwert, denDas Auftreten von Quietschen und Quietschen hängt von der Steifigkeit des Polstermaterials (Young'scher Modul) ab. Die Dicke und die Steifigkeit des Messschiebers wiesen auch unterschiedliche enge Bereiche auf, in denen die Neigung zum Quietschen hoch war.

  Die gängigen Schlußfolgerungen dieser Modelle sind, dass Bremsenquietschen durch geometrisch induzierte Instabilitäten verursacht werden kann, die keine Variationen des Reibungskoeffizienten erfordern. Da diese geschlossenen Formen theoretische Ansätze nicht könnenModellieren Sie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Komponenten, die in praktischen Bremssystemen zu finden sind, angemessen, ihre Anwendbarkeit war jedoch begrenzt. Sie geben jedoch einen guten Einblick in den Mechanismus des Bremsenquietschens, indem sie das hervorhebenphysikalische Phänomene, die auftreten, wenn ein Bremssystem quetscht.

  Experimentelle Methoden

  Die Frequenzen einer Quietschbremse hängen stark von den Eigenfrequenzen des Bremsrotors ab [17]. Daher ist es von grundlegender Bedeutung, die Schwingungsmoden des Rotors bestimmen zu können. Nicht nur wird einDas Verständnis der Vibrationsmodi des Rotors hilft vorauszusagen, wie ein Bremssystem vibrieren kann, es ist jedoch auch bei der Entwicklung von Gegenmaßnahmen erforderlich, um das Problem zu beseitigen. Das Vorhandensein von Modi in der Ebene zusätzlich zum BiegenModi sind eine weitere Komplikation, und es gibt Anzeichen dafür, dass die In-Plane-Modi die Ursache einiger Bremsenquietschen sowie der Biegungsmodi sein können [18].

Abb. 5 (a) Einzelstrebe, die gegen die sich bewegende Oberfläche reibt; (b) Spross-Slip-System.

  Beschleunigungsmesser stellen ein wirksames Werkzeug zum Bestimmen der Schwingungsmodusformen und der erzwungenen Reaktion eines Systems bereit. Fig. 6 (a) zeigt eine Biegemodusform eines typischen Bremsrotors, der experimentell bestimmt wurde.

  Mit der STAR MODAL-Software wurde ein Modell erstellt, das aus 384 Rasterpunkten über der Oberfläche eines Bremsrotors bestand. Frequenzgangmessungen wurden mit einer B & K 2032-FFT-Analyse unter Verwendung eines einachsigen Beschleunigungsmessers von B & K 4374 und eines B & K durchgeführt8001 Impedanzkopf. Die Anregung wurde mit einem B & K 4810-Shaker eingeleitet, der durch ein Zufallsrauschsignal angetrieben wird. Leider beschränkt die für Beschleunigungssensoren erforderliche Kontaktbefestigung ihre Verwendung bei rotierenden Bremskomponenten. Sie können nur seinWird für die Analyse stationärer Bremskomponenten verwendet, wodurch es nahezu unmöglich ist, die Modenform eines quietschenden Bremsrotors zu bestimmen.

In letzter Zeit wurden optische Techniken verwendet. Insbesondere wurde die holographische Interferometrie mit doppelt gepulstem Laser erfolgreich auf Quietschbremssysteme angewendet [16, 17, 25, 26]. Dies hat die gekoppelten Modenformen zu einem vollständigen gemachtBremssystem bestimmt werden, während es quietscht. Ein holographisches Bild wird erzeugt, indem ein Laser mit maximaler und minimaler Amplitude eines schwingenden Objekts ausgelöst wird. Der Unterschied in der optischen Weglänge, verursacht durch die verformte Form vonDas vibrierende Objekt erzeugt ein Interferenzmuster auf einer holographischen Platte. Die Modenform kann dann durch Interpretieren des Interferenzmusters bestimmt werden.

  Der Vorteil der holographischen Interferometrie ist, dass die Modenformen eines Bremsrotors während des Quietschens bestimmt werden können. Das holographische Bild kann den Rotor sowie die Bremsbeläge, den Ankerbügel und den Bremssattel enthalten. DasDiese Technik kann auf ein Bremssystem angewendet werden, das auf einem Bremsleistungsprüfstand montiert ist. Aufhängungskomponenten wie Spindel, Feder und Dämpfer können ebenfalls einbezogen werden, um die Leistung des Bremssystems im Fahrzeug zu simulieren.

  Ein Beispiel für den Wert der Doppelpuls-Holographie bei der Untersuchung einer Quietschbremse wurde von Nishiwaki et al. 1989 [17]. In der untersuchten Bremsanlage wurde deutlich, dass die Modenform der Vibration auftratDer Bremsrotor war in Bezug auf den Bremssattel stillstehend. Daher ist die Modenform auch in Bezug auf den Erregungsbereich stationär. Der Rotor wurde modifiziert, indem die Symmetrie des Rotors um seine Drehachse verändert wurde. DasDie Modenformen des modifizierten Rotors müssen sich jetzt in Bezug auf den Erregungsbereich drehen, um zu verhindern, dass der Rotor im ursprünglichen Vibrationsmodus vibriert.

Fig. 6 (a) experimentelle Biegemodusform; (b) Biegungsmodusform der FEA.

  Numerische Methoden

  Bei der Analyse des Bremsenquietschens wurde die Finite-Elemente-Analyse (FEA) verwendet. Die Modalanalyse von Bremskomponenten ist ein Bereich, in dem die FEM leicht angewendet werden kann. Fig. 6 (b) zeigt ein Finite-Elemente-Modell eines Bremsrotors. Das Modell, bestehend aus8700 Tet92 Volumenkörper wurde mit einem kommerziellen Elementcode ANSYS 5.6 entwickelt. Leider führt die Kopplung zwischen Bremskomponenten zu Schwingungsmodi, die sich von denen unterscheiden, die für die einzelnen Komponenten gefunden wurden. Deshalb,Das eigentliche Interesse der Forscher besteht darin, eine komplette Bremsanlage modellieren zu können.

  Der kritische Aspekt bei der Modellierung eines kompletten Bremssystems ist die Kopplung zwischen Komponenten, insbesondere der Schnittstelle zwischen Rotor und Belag. Die Kontaktsteifigkeit selbst wird anhand von experimentellen Ergebnissen eingestellt, jedoch der schwierigere Aspektist die tangentiale Reibungskupplung einzuführen. Liles umfasste die Reibungskopplung zwischen Rotor und Belag als nicht diagonale Glieder in der Steifigkeitsmatrix und verwendete eine komplexe Eigenwertanalyse zur Beurteilung der Stabilität eines Bremssystems [5].

  Nachdem das Modell entwickelt worden war, konnte der Einfluss verschiedener Parameter wie Reibungskoeffizient, Belaggeometrie und Bremssattelsteifigkeit bestimmt werden. Dihua und Dongying verwendeten ebenfalls einen ähnlichen Ansatz, um das Design eines Ankers zu verbessernHalterung [14]. Die Arbeit dieser und anderer Forscher hat gezeigt, dass es möglich ist, Modelle zu erstellen, die die Reibungskopplung zwischen dem Rotor und dem Belag enthalten. Es gibt jedoch wenig experimentelle Beweise, die zu überprüfen sinddie Genauigkeit dieser Modelle. Sie können nützlich sein, um die Auswirkungen verschiedener Parameter innerhalb des Bremssystems zu untersuchen, aber ihre Fähigkeit, die wichtige Reibungsschnittstelle zu modellieren, ist begrenzt. Da kleine Schwankungen der BetriebstemperaturBremsdruck, Rotorgeschwindigkeit oder Reibungskoeffizient können zu unterschiedlichen Quietschneigungen oder -frequenzen führen (Abb. 3 und 4), eine genaue Vorhersage des Quietschens von Bremsen mit numerischen Methoden erfordert eine genaue BestimmungMaterialeigenschaften (insbesondere für das Reibungsmaterial) unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Darüber hinaus bleibt die richtige Modellierung der Randbedingungen insbesondere dann wichtig, wenn die Kopplung zwischen verschiedenen Komponenten wichtig istHerausforderung.

Herausforderungen für die Zukunft

  Derzeit konzentriert sich die Forschung auf Bremsenquietschen auf spezifische Bremssysteme oder Erzeugungsmechanismen. Die Herausforderung für die Zukunft besteht darin, allgemeine Techniken und Richtlinien entwickeln zu können, um das Bremsenquietschen während des Designs zu beseitigenBühne. Angesichts der Komplexität der Mechanismen, die ein Bremsenquietschen erzeugen, scheint es, dass allgemeine Richtlinien in der Zukunft in weiter Ferne liegen. Derzeit ist die Reduzierung des Quietschgeräuschs für bestimmte Bremssysteme mit demzusätzliches Wissen, das in jedem Fall erworben wird, trägt zum Gesamtverständnis von Bremsenquietschen bei.

  Die theoretische Analyse von Bremssystemen ist angesichts der Komplexität der Mechanismen und des Fehlens eines geeigneten Modells für die Reibungsgrenzfläche, die ein Bremsenquietschen verursacht, schwierig. Dies sollte jedoch die Entwicklung der Vereinfachung nicht einschränkenModelle als wertvolle Einblicke können gewonnen werden. Das durch das Studium vereinfachter Modelle gewonnene Verständnis kann bei der Interpretation experimenteller Ergebnisse und der Entwicklung verbesserter Rechenwerkzeuge hilfreich sein.

  Die Anwendung von FEA zum Bremsenquietschen scheint vielversprechend zu sein. Kommerzielle Softwarepakete werden ständig mit verbesserten Modellierungsfunktionen verfeinert und die Reibungskupplungsfähigkeiten verbessern sich. Die schnelle EntwicklungIn computerunterstützten Konstruktionssystemen sollte es möglich sein, jeden Aspekt eines Bremssystems von der Bremsleistung bis zur akustischen Vibro-Analyse zu analysieren, wodurch Bremsen mit einer minimalen Neigung zum Quietschen und Bremsen ausgelegt werden könnenwünschenswerte Bremsleistung.

  Experimentelle Methoden werden aus verschiedenen Gründen immer noch eine wichtige Rolle spielen. Erstens bieten sie effektivere Analysewerkzeuge als numerische oder rein theoretische Methoden. Zweitens kann die Diagnose der Ursache von Bremsenquietschproblemen erfolgenoft nur durch Experimente gefunden werden. Schließlich können die Überprüfung von Lösungen für Quietschprobleme und die Anwendbarkeit von FEA-Modellen nur mit experimentellen Mitteln erreicht werden. Letztendlich die zukünftige Beseitigung von Bremsenquietschenwerden durch experimentelle Ergebnisse und die Endprüfung von Bremssystemen bestätigt.