Suppressing brake vibrations by deliberately introduced damping
Final Report Abstract
Hörbare Bremsenschwingungen sind ein typisches NVH (Noise Vibration Harshness) Phänomen, welche durch Selbsterregung im Kontakt zwischen Belag und Bremsscheibe bzw. -trommel entstehen. Dämpfung als Kernthema des SPP 1897 Calm, Smooth and Smart kann selbsterregte Schwingungen wirksam verringern. In den beiden Projektphasen wurden Dämpfungsmaßnahmen bei Scheiben- und Trommelbremssystemen näher beleuchtet, die hochfrequente, selbsterregte Störgeräusche reduzieren können. Der Fokus lag insbesondere auf der Untersuchung dünnwandiger Kompositstrukturen, sogenannter Shims, die nach der Constrained-layer-damping Wirkungsweise zu einem Dämpfungsanstieg beitragen. Die dynamische Charakterisierung von Shimverbunden ist entscheidend, um Dämpfungseigenschaften zu ermitteln und das Schwingungsverhalten im quietschrelevanten Frequenzbereich zu klassifizieren. Das umfasst sowohl die Bestimmung des Dämpfungspotentials innerhalb des relevanten Temperatur- und Frequenzbereichs als auch modale Systemeigenschaften. Darüber hinaus sind der Shimbedeckungsgrad und die - positionierung von Bedeutung, um eine maximale Dämpfungswirkung zu erzielen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Vergrößerung der Shimlänge nicht zwangsläufig zu größeren Dämpfungsgraden beiträgt. Eine Finite-Elemente Mehrschichtmodellierung dünnwandiger Shims kann bei der Berechnung komplexer Eigenwerte starke Elementverzerrungen zur Folge haben und die Ergebnisqualität signifikant verschlechtern. Eine Lösung, basierend auf klassischen Ansätzen aus der Literatur, die hier aufgezeigt wurde, ist die Homogenisierung essentieller Schichten. Der verwendete Homogenisierungsansatz, der nur eine Elementschicht in Dickenrichtung vorsieht, stellt adäquate Elementseitenverhältnisse sicher, beugt numerischen Fehlern vor und stellt äquivalente Systemeigenschaften sicher. Experimentelle Modalanalysen haben ergeben, das insbesondere Dämpfungskennwerte von Bremsbelägen eine nicht zu vernachlässigende Streuung aufweisen. Infolgedessen wurde in die betrachteten Finite-Elemente Gesamtbremsenmodelle Rayleigh-Dämpfung implementiert. Der Dämpfungsverlauf wurde durch die Approximation innerhalb des betrachteten Frequenzbereiches hinreichend genau wiedergegeben. Der homogenisierte Shimverbund wurde anschließend in Finite-Elemente Gesamtbremsenmodelle integriert. Eine Validierung der Scheibenbremsenmodelle erfolgte durch experimentell ermittelte Daten eines Prüfstandes für Leistungsbremsungen. Im Experiment als sehr wirkungsvoll hat sich die Erhöhung der Scheibendämpfung herausgestellt. Bei Trommelbremsen, die aktuell unter anderem aufgrund der Verringerung von Partikelemissionen wieder stärker in den Fokus rücken, spielt die Integration von Dämpfungsmaßnahmen in gleicher Weise eine wichtige Rolle, um hochfrequente Quietschereignisse zu reduzieren. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass das Dämpfungsniveau sowohl der Trommel als auch der Bremsbacken durch Applikation von Shimkompositen deutlich vergrößert werden konnte. Komplexe Eigenwertanalysen wurden mit und ohne Dämpfungsmaßnahmen durchgeführt, um die Wirksamkeit simulativ zu bewerten. Hierfür wurde ein einfaches Finite-Elemente Trommelbremsenmodell erstellt, das die wesentlichen Komponenten und deren Abmaße berücksichtigt. Eine Verbesserung des Istzustandes konnte durch Berechnungen, die beide Shimpositionen abbilden, nachgewiesen werden. Umfangreiche Prüfstandversuche haben dargelegt, dass durch den Einsatz der gezeigten Dämpfungsmaßnahmen eine signifikante Verbesserung des Schwingungsverhaltens erreicht werden kann.
Publications
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Experimental Investigations of Brake Pad Shim Properties. PAMM, 17(1), 41-44.
Schmid, Dominik; Gräbner, Nils & von Wagner, Utz
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Characterization of Brake Shims Using Analytical Constrained Layer Damping Theories. PAMM, 18(1).
Schmid, Dominik; Gräbner, Nils & von Wagner, Utz
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On Brake Pad Shim Characterization: a Homogenization Approach and Finite Element Analysis. Advanced Structured Materials (2019), 447-464. Springer International Publishing.
Schmid, Dominik; Gräbner, Nils & von Wagner, Utz
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Parameter Identification of Brake Pad Shims for Complex Eigenvalue Analysis. PAMM, 19(1).
Schmid, Dominik; Sessner, Vincent; Gräbner, Nils; von Wagner, Utz & Weidenmann, Kay André
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Approximation of stability radii for large-scale dissipative Hamiltonian systems. Advances in Computational Mathematics, 46(1).
Aliyev, Nicat; Mehrmann, Volker & Mengi, Emre
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Wide Scale Characterization and Modeling of the Vibration and Damping Behavior of CFRP-Elastomer-Metal Laminates—Comparison and Discussion of Different Test Setups. Applied Composite Materials, 28(5), 1715-1746.
Sessner, Vincent; Liebig, Wilfried V.; Jackstadt, Alexander; Schmid, Dominik; Ehrig, Tom; Holeczek, Klaudiusz; Gräbner, Nils; Kostka, Pawel; von Wagner, Utz; Weidenmann, Kay A. & Kärger, Luise
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Friction-induced noise in drum brakes: finite-element modeling and experiments with special focus on damping. Archive of Applied Mechanics, 92(8), 2467-2481.
Schmid, Dominik; Gräbner, Nils & von Wagner, Utz
