Steinbrecher, I. (2015). Modelling disc-brake squeal in a multi-body-dynamics environment [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2015.30421
Das Bremsscheibenquietschen ist ein allseits bekanntes Phänomen, welches schon seit dem Beginn der Verwendung von Scheibenbremsen vor über 100 Jahren vorhanden ist. Dennoch gibt es noch kein geschlossenes Berechnungsmodell, um dieses Quietschen zu modellieren, vorherzusagen und ultimativ zu unterbinden. Experimente zeigen, dass transversale Schwingungen der Bremsscheibe für das Quietschen verantwortlich sind. In der Literatur gibt es unterschiedliche Ansichten, aufgrund welches Mechanismus die Instabilitäten auftreten, die zum Quietschen führen. In dieser Arbeit werden selbsterregte Schwingungen der Bremsscheibe untersucht, welche aufgrund der Folgelast-Eigenschaften der Reibungskräfte entstehen. Es werden einige analytische Modelle vorgestellt; auf zwei davon wird im Detail eingegangen. Ein Modell verwendet eine starre Scheibe unter Reibkontakt und zeigt, dass auch bei dieser Instabilitäten auftreten können; das zweite Modell beschreibt die Bremsschreibe mit zwei Eigenmodes der Scheibe. Aktuelle numerische Ansätze bestehen meist aus komplexen Finite-Elemente-Analysen, welche sehr rechenaufwendig sind und nur bedingt Aufschlüsse über die Vorgänge beim Quietschen geben. In dieser Arbeit werden die analytischen Modelle mit dem Mehrkörpersystemdynamik-Programm SIMPACK modelliert und analysiert. Die Vorteile dieser Herangehensweise bestehen in der drastisch verkürzten Rechenzeit, sowie der leichten Adaptierbarkeit auf komplexere Systeme. Abschließend wird das Potential der Kombination von Mehrkörpersystemdynamik und akustischen Finite-Elemente-Analysen aufgezeigt. Um die flexible Scheibe in SIMPACK modellieren zu können, muss diese aus einem Finite-Elemente-Modell für das Mehrkörpersystemdynamik-Programm vorbereitet werden. Die mechanisch-mathematischen Grundlagen dafür werden erläutert.
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Brake squeal is known to be an issue at disc brakes since their introduction, but a complete understanding of the problem is still missing. Experiments show that transversal vibrations of the brake disc are responsible for squeal. In literature, different sources of the instabilities that lead to squeal are discussed. In this thesis self-excited vibrations due to the follower-force characteristic of the friction forces are investigated. Different analytical minimal models for disc-brake squeal are introduced, and two are discussed in detail. One model uses a rigid disc with friction contact, the second one uses a flexible disc with two eigenmodes of the disc. Current numerical simulations are based on full finite-element models of the brake system. This approach has the disadvantage of a high computational effort and only gives limited information about the squeal process itself. In this thesis a rigid- and a flexible-disc model are modelled and analysed in the multi-body-system program SIMPACK. The advantage of this approach is the computational efficiency and the chance to expand the model easily in order to represent more complex systems. Finally, the potential of the combination of multi-body-system dynamics and acoustic finite-element analysis is demonstrated. In order to model the flexible disk in SIMPACK, a finite-element model of the has been preprocessed for the multi-body-system dynamics analysis. The needed mechanical mathematical foundations are explained.
