Schnelles Berechnungsverfahren für Reibungskräfte in Bremsen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geräusche und speziell das Quietschen sind ein stets präsentes Problem bei der Entwicklung und dem Betrieb von Kfz-Scheibenbremsen. Im Rahmen der Entwicklung von Scheibenbremsen konnte die rechnergestützte Simulation des Geräuschverhaltens noch nicht als prädiktives Werkzeug etabliert werden. Es sind nach wie vor zeit- und kostenintensive Prüfstands- und Fahrversuche nötig. Ein Grund dafür ist, dass es bei der Modellbildung des schwingungsfähigen Systems vor allem am Verständnis des dynamischen Verhaltens der Bremsbeläge in Bezug auf ihre elastischen und dämpfenden Eigenschaften sowie an Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Reibungskräfte mangelt. Für die Untersuchung der Bremsbelagseigenschaften hinsichtlich der dynamischen Steifigkeit in normalen- und tangentialen- Richtung wurden zwei Prüfstände entwickelt. Diese ermöglichen es Bedingungen, wie sie während des Quietschens üblich sind, zu erzeugen. Mit diesen Prüfständen wurden Messreihen durchgeführt und charakteristische Eigenschaften des Reibmaterials identifiziert. Es zeigte sich, dass das Prüfstandskonzept zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls und des Schubmoduls zielführend ist. Die üblicherweise verwendeten Bremsenmodelle zeigen in ihrem Stabilitätsverhalten sehr große Sensitivität auf die mittels der Prüfstände neu gewonnenen Parameter, die bisher in gebräuchlichen Messverfahren nur ungenau bestimmt werden können. Die zur reibphysikalischen Untersuchung nötigen Materialparameter konnten nach ihrer Ermittlung zur Gedächtnisfunktion zusammengefasst werden. Es hat sich herausgestellte, dass der generalisierte Maxwell- Körper für die Modellierung der Viskoelastizität bei der Simulation mit der Methode der Dimensionsreduktion sehr gute Ergebnisse liefert. Es wurden Semi-Met-Bremsbeläge und Low-Met-Bremsbeläge durch verschiedene Experimente untersucht. Die speziell entwickelte Versuchsapparatur zur Adhäsionskraftmessung wurde zur makroskopischen Indentierung der Bremsbelagsproben verwendet. Das Eindringen des Indenters konnte über einen längeren Zeitraum erfasst werden. Die so erhaltenen Kriechkurven haben gezeigt, dass selbst am Ende der Messdauer immer noch Kriechprozesse stattfinden. Dies könnte die Ursache für das Kleben von Trommelbremsen bei längerer Betätigung sein. Bei der Geräuschentwicklung der Scheibenbremse sind allerdings kleinere Kriechzeiten von Bedeutung. Um die Rheologie von heterogenen Materialien zu untersuchen, wäre allerdings ein Versuchsaufbau zur nanorheologischen Messung nötig. Auf Grund seiner Allgemeinheit wurde das Reibgesetz von Dieterich-Ruina zur Modellierung des Reibvorgangs der Bremsbeläge verwendet. Das so erhaltene Reibgesetz wurde zur Evaluierung an das Fachgebiet Mechatronische Maschinendynamik übergeben. Mittels Simulation wurde unter Verwendung von FaCom ein Reibgesetz entwickelt, welches noch zu überprüfen ist. Die Änderung der Oberflächentopographie durch Verschleiß konnte hinsichtlich der Auswirkung auf das Reibungsverhalten untersucht werden. Im Laufe des Projekts hat sich durch Einsetzen der dabei gewonnenen Ergebnisse in Bremsenmodelle gezeigt, dass die Materialparameter und der Reibungsbeiwert einen großen Einfluss auf das Stabilitätsverhalten haben. Des Weiteren sind die Materialeigenschaften der Beläge stark nichtlinear und haben großen Einfluss auf den sich einstellenden Grenzzykel (das eigentliche Bremsenquietschen) und das Verzweigungsverhalten (sub- /superkritisch). Untersuchungen mit bisher vorliegenden Parametern einer geschwindigkeitsabhängigen Reibkennlinie haben jedoch gezeigt, dass sich hier kein signifikanter Einfluss auf das Stabilitätsverhalten ergab.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental identification of brake lining material properties subjected to combined static and high frequency loading. Proceedings des SAE Annual Brake Colloquium 2011, SAE paper 2011-01-2353
Hornig, S., von Wagner, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4271/2011-01-2353) - Using hierarchical memory to calculate friction force between fractal rough solid surface and elastomer with arbitrary linear rheological properties. - Tech. Phys. Lett., 2011, v. 37, No.1 , pp. 18-24
Popov V.L. and Dimaki A.V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S106378501101010X) - Basic ideas and applications of the method of reduction of dimensionality in contact mechanics. – Physical Mesomechanics, 2012, v. 15, No. 4, pp. 7-16
Popov V.L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S1029959912030022) - Mesoscopic nature of friction and numerical simulation methods in tribology. - Physical Mesomechanics, 2012, v. 15, No. 4, pp. 4-6
Psakhie S.G., Popov V.L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S1029959912030010) - Time dependence of the "static" friction coefficient of elastomer. - Physical Mesomechanics, 2012, v. 15, 319
Popov V.L. and Dimaki A.V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S1029959912030137) - Methods for Rapid Development of Silent Brakes. XXXII-Internationales µ-Symposium, VDI-Berichte 773, 268 – 299, 2013
von Wagner, U.; Hornig, S; Gräbner, N.; Gödecker, H.
