Remgeluid: een literatuuroverzicht

Abstract

  Het piepgeluid van de remmen, dat meestal binnen het frequentiegebied tussen 1 en 16 kHz valt, is sinds de start een van de moeilijkste zorgen die samenhangen met remsystemen voor auto's. Het veroorzaakt klantontevredenheid en verhoogtgarantiekosten. Hoewel er sinds de jaren 1930 veel onderzoek is gedaan naar het voorspellen en elimineren van remspoken, is het nog steeds vrij moeilijk om het optreden ervan te voorspellen. In dit artikel, de kenmerken en de huidigeproblemen die men tegenkomt bij het aanpakken van het piepen van de remmen worden eerst beschreven. Een analyse van de analytische, experimentele en numerieke methoden die worden gebruikt voor het onderzoek van het piepen van de remmen wordt dan gegeven. Een aantal van de uitdagingen waar de remmen voor staan, piepenonderzoek is geschetst. Alle rechten voorbehouden.

 Invoering

  Het piepen van de remmen is sinds hun ontstaan ​​een van de moeilijkste zorgen die samenhangen met remsystemen voor auto's. Onderzoek naar het voorspellen en elimineren van remspoken is uitgevoerd sinds de jaren 1930 [1,2]. Aanvankelijk drumremmen werden bestudeerd vanwege hun uitgebreide gebruik in vroege auto-remsystemen. Schijfremsystemen worden echter in moderne voertuigen uitgebreider gebruikt en zijn de focus geworden van onderzoek naar remgeluid.

  Fig. De figuren 1 en 2 tonen een typisch schijfremsysteem met een '' eerste '' remklauwontwerp. Een schijfremsysteem bestaat uit een rotor die rond de as van het wiel roteert. Het remklauwsamenstel is gemonteerd op het voertuigophangsysteemdoor een anker

Fig. 1. Een typisch remsysteem van het 'vijfde' type.

Fig. 2. Schematische weergave van een schijfremsysteem.

haakje. Het remklauwhuis kan via de twee pinnen over de ankerbeugel schuiven. Remblokken met gegoten wrijvingsmateriaal kunnen ook op de ankersteun schuiven. Een zuiger kan in de remklauwbehuizing schuiven. Wanneer de hydraulische druk istoegepast, wordt de zuiger naar voren gedrukt om het binnenkussen tegen de rotor te drukken en in de tussentijd wordt het huis in de tegenovergestelde richting geduwd om het buitenkussen tegen de rotor te drukken, waardoor een remkoppel wordt gegenereerd.

  Net als alle andere toepassingen met frictie-interface zijn geluid en trillingen inherente bijproducten van remtoepassingen. Remgeluid en trillingen zijn geclassificeerd volgens de frequentie ervan als jutter, kreunen, brommen, piepen, squelchen staalborstel [3]. De piepgeluid dat bijzonder storend is, valt meestal in een frequentiebereik van 1 tot 16 kHz.

  Remgeluid wordt gegenereerd door de trilling van een onstabiele vibratiemodus van het remsysteem. In deze toestand kan de remrotor fungeren als een luidspreker omdat deze grote vlakke oppervlakken heeft die gemakkelijk geluid kunnen uitstralen. Het voorkomen vanruisgeluid is een punt van zorg, omdat het de inzittenden van het voertuig aanzienlijke ongemakken bezorgt en leidt tot ontevredenheid bij de klant en hogere garantiekosten. Helaas is het grote onderzoek naar remgeluid niet gelukteen volledig begrip geven van, of het vermogen om het voorkomen ervan te voorspellen [1-26]. Dit komt deels door de complexiteit van de mechanismen die het piepen van de remmen veroorzaken en deels vanwege het competitieve karakter van de autoindustrie, die de hoeveelheid coöperatief onderzoek beperkt die in de open literatuur wordt gepubliceerd.

  Hoewel Yang en Gibson in 1997 [4] een uitgebreid overzicht van het klokkengeluid van de remmen gaven, was het tot op zekere hoogte gericht op de materiële aspecten van een remsysteem. Het doel van dit artikel is om de kenmerken enhuidige moeilijkheden bij het aanpakken van remgeluiden en het evalueren van de analytische, experimentele en numerieke methoden die worden gebruikt voor het onderzoek van het piepen van remmen.

Kenmerken van remgeluid

  Een van de grootste bijdragers aan het klokkengeluid is het frictiemateriaal, omdat er op het wrijvingsinterface squeale excitatie optreedt en het normaal ongeveer 12 maanden duurt om een ​​selectie van frictiemateriaal af te ronden. Dit zekermaakt het erg moeilijk om a priori de neiging van een remsysteem om te piepen te voorspellen. Ook wordt vaak bij het ontwerpen van een remsysteem prioriteit gegeven aan vereisten zoals remprestaties, kosten en fabricage gemak. Het gemeenschappelijkeDe praktijk voor de verschillende componenten van een remsysteem dat door verschillende leveranciers moet worden vervaardigd, maakt de zaken nog ingewikkelder. Het grote aantal geproduceerde voertuigen betekent dat zelfs een lage piepgeneigenschappen gevonden tijdens de eerste testen vaneen remsysteem kan een groot probleem worden zodra een voertuig in productie is als gevolg van een veel grotere populatieomvang. Aanpassingen aan het einde van de ontwikkelingsfase zullen twee potentiële risico's hebben:

  (1) leidt tot vertragingen in de productie en hogere kosten voor zowel de rem- als voertuigfabrikanten en (2) wat leidt tot producten die niet volledig zijn gevalideerd met mogelijke bezorgdheid over de garantietermijn.

  De meest significante complicatie in remonderzoek is het voortvluchtige karakter van het piepen van de remmen; dat wil zeggen, remgeluid kan soms niet-herhaalbaar zijn. Er zijn veel potentiële piepfrequenties (onstabiele modi) voor een remsysteem. Elkindividuele component heeft zijn eigen natuurlijke modi. Het aantal modi voor een rotor binnen het menselijke gehoorbereik kan oplopen tot 80. De modale frequenties en modale vormen van de rotor, remklauw, anker en pad zullen veranderen zodra deze delen zijnin-situ geïnstalleerd. Tijdens een remtoepassing worden deze delen dynamisch aan elkaar gekoppeld, wat resulteert in een reeks gekoppelde trillingsmodi, die verschillen van de componentvrije trillingsmodi. De toevoeging van de wrijvingkoppelingskrachten op het wrijvingsinterface resulteren in de stijfheidsmatrix voor het systeem dat asymmetrische termen met een afwijkende diagonale koppeling bevat. Vanuit het oogpunt van stabiliteit wordt deze koppeling beschouwd als de oorzaak van de rempiepen. Een remsysteem kan niet altijd piepen, gezien de '' zelfde '' omstandigheden. Als alternatief kunnen kleine variaties in bedrijfstemperatuur, remdruk, rotorsnelheid of wrijvingscoëfficiënt resulteren in verschillende piepgeluiden.neigingen of frequenties. Fig. 3 en 4 tonen het percentage optreden van remspiepen verkregen bij PBR Automotive Pty Ltd met behulp van een rubore weerstandsthermingsdynamometer en een AK-ruismatrix voor verschillende remdrukken en temperaturenrespectievelijk. Uit figuur 3 is te zien dat er geen eenvoudige relatie bestaat tussen het percentage dat optreedt en de frequentie van het remgeluid en de remblokdruk. Evenzo is de invloed van temperatuur op zowel het voorkomenen de frequentie van het remgeluid is vrij complex (figuur 4).

  Vanwege de bovengenoemde moeilijkheden bij het ontwerpen van een ruisvrij remsysteem, zijn pogingen om rembekrachtiging te elimineren grotendeels empirisch, waarbij problematische remsystemen in een geval per geval worden behandeld. Het succes hiervanempirische fi xes hangt af van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het veroorzaken van het squealprobleem. De meest fundamentele methode om remgeluid uit te schakelen, is het verminderen van de wrijvingscoëfficiënt van het remblok [5-7]. Dit echtervermindert duidelijk de remprestaties en is niet een te verkiezen methode om te gebruiken. Het gebruik van visco-elastisch materiaal (dempingsmateriaal) op de achterkant van de achterplaat kan effectief zijn wanneer er significante buigtrilling [8,9] is. Veranderende koppeling tussen het kussen en de rotor door het aanpassen van de vorm van het remblok is ook effectief gebleken [10,11]. Andere geometrische modificaties die succesvol zijn geweest, zijn onder meer het wijzigen van de remklauwstijfheid [12,13], de dikte van de remklauwbevestigingsbeugel [14,15], padbevestigingsmethode [16] en rotorgeometrie [17,18].

Afb. 3. Variatie van optredens van remgeluid met frequentie en remblokdruk.

Fig. 4. Variatie van optredens van remgeluid met frequentie en temperatuur.

Analyse van remgeluid

  analytische methodes

  Het vroegste onderzoek naar remgeluid suggereerde dat de variatie in de wrijvingscoëfficiënt met glijsnelheid de oorzaak was [19]. Niet alleen is er een verschil tussen de statische en dynamische wrijvingscoëfficiënt, maar dat was het ookdacht dat de daling van de kinetische wrijving met een hogere glijsnelheid zou kunnen leiden tot een stick-slipconditie en een zelf opgewekte vibratie zou produceren. Er is echter aangetoond dat piepen optreedt in remsystemen waarbij de kinetische coëfficiëntde wrijving is constant [20] en heeft geleid tot analyse van de geometrische aspecten van een remsysteem.

Spurr stelde een vroeg sprag-slip-model voor dat een geometrische koppelingshypothese beschrijft in 1961 [6]. Overweeg een stijl onder een hoek θ naar een glijoppervlak zoals getoond in Fig. 5 (a).waarbij μ de wrijvingscoëfficiënt is en L de belasting is. Er kan worden gezien dat de wrijvingskracht in de buurt komt wanneer μ de wieg θ nadert. Wanneer μ = ledikant θ schuift de stut op of vergrendelt en kan het oppervlak niet verder bewegen. Spurrsprag-slip model bestond uit een dubbele cantilever zoals getoond in figuur 5 (b). Hier staat de arm O0P onder een hoek θ0 ten opzichte van een bewegend oppervlak. De arm zal rond een elastisch draaipunt O0 draaien terwijl P zich verplaatst onder invloed van de wrijvingskrachtF zodra de uitloophoek is bereikt. Uiteindelijk wordt het moment tegenover de rotatie om O0 zo groot dat O00P O0P vervangt en de inclinatiehoek wordt verlaagd tot θ00. De elastische energie opgeslagen in O0 kan nu worden vrijgegevenen de O0P zwaait in de tegenovergestelde richting van het bewegende oppervlak. De cyclus kan nu worden hervat, resulterend in oscillerend gedrag.

  Anderen hebben dit idee uitgebreid in een poging om een ​​remsysteem vollediger te modelleren. Jarvis en Mills gebruikten een cantilever die wreef tegen een draaiende schijf in 1963 [21], Earles en Soar gebruikten een pin-disc model in 1971 [22], en North introduceerdezijn acht-graads vrijheidsmodel in 1972 [23]. Het hoogtepunt van deze inspanningen was een model dat Millner in 1978 publiceerde [24]. Millner modelleerde de schijf, de pad en de caliper als een 6-graads vrijheidsmarge, een beproefd parametermodel en vond het goedovereenstemming tussen voorspelde en waargenomen gil. Complexe eigenwaardeanalyse werd gebruikt om te bepalen welke con fi guraties onstabiel zouden zijn. Onderzochte parameters waren onder meer de wrijvingscoëfficiënt van het kussen, de modulus van het kussenmateriaal van Young,en de massa en stijfheid van de remklauw. De neiging tot piepen leek steil te stijgen met de wrijvingscoëfficiënt, maar piepen zou niet optreden onder een afsnijdwaarde van 0,28. Hij vond dat voor een constante wrijvingswaarde, dehet optreden van piepende en piepende frequentie hangt af van de stijfheid van het kussenmateriaal (Young's modulus). De dikte en stijfheid van de remklauw vertoonden ook verschillende smalle gebieden waar de neiging tot schreeuwen groot was.

  De algemene conclusies van deze modellen zijn dat het piepen van de remmen kan worden veroorzaakt door geometrisch geïnduceerde instabiliteit die geen variaties in de wrijvingscoëfficiënt vereist. Omdat deze gesloten vorm theoretische benaderingen niet kunnenadequaat model de complexe interacties tussen componenten gevonden in praktische remsystemen, hun toepasbaarheid is beperkt. Ze bieden echter wel enig goed inzicht in het mechanisme van remgeluiden door het te markerenfysieke verschijnselen die optreden wanneer een remsysteem breekt.

  experimentele methodes

  De frequenties van een piepende rem zijn in hoge mate afhankelijk van de natuurlijke frequenties van de remrotor [17]. Daarom is het van fundamenteel belang om de trillingsmodi van de rotor te kunnen bepalen. Niet alleen eeninzicht in de trillingsmodi van de rotor helpen voorspellen hoe een remsysteem kan trillen, maar het is ook noodzakelijk om tegenmaatregelen te ontwikkelen om het probleem op te lossen. Het bestaan ​​van in-plane modi naast het buigenmodi is een verdere complicatie, en er zijn aanwijzingen dat de in-plane modi de oorzaak kunnen zijn van een bepaald soort piepgeluiden en de buigmodi [18].

Fig. 5. (a) Enkele steun wrijft tegen bewegend oppervlak; (b) sprag-slip-systeem.

  Versnellingsmeters bieden een effectief hulpmiddel voor het bepalen van de vormen van de trillingsmodus en de geforceerde reactie van een systeem. Figuur 6 (a) toont een vorm van de buigmodus van een typische remrotor die experimenteel is bepaald.

  Er is een model gemaakt met STAR MODAL-software dat bestond uit 384 rasterpunten over het oppervlak van een remrotor. Frequentieresponsmetingen werden uitgevoerd met een B & K 2032 FFT analyse met behulp van een B & K 4374 uniaxiale accelerometer en een B & K8001 impedantiekop. De excitatie werd geïntroduceerd met een B & K 4810 schudinrichting aangedreven door een willekeurig ruissignaal. Helaas beperkt de contactmontage vereist voor versnellingsmeters hun gebruik op roterende remcomponenten. Dat kunnen ze alleen zijngebruikt voor analyse van stationaire remcomponenten waardoor het bijna onmogelijk is om de modusvormen van een piepende remrotor te bepalen.

  Optische technieken zijn meer recentelijk gebruikt. In het bijzonder is dubbel gepulseerde laserholografische interferometrie met succes toegepast op piepende remsystemen [16, 17, 25, 26]. Dit heeft de gekoppelde modusvormen van een voltooid toegestaanremsysteem te bepalen terwijl het piept. Een holografisch beeld wordt geproduceerd door een laser te triggeren met de maximale en minimale amplitude van een trilobject. Het verschil in optische weglengte, veroorzaakt door de vervormde vorm vanhet trillende object, creëert een interferentierandpatroon op een holografische plaat. De modusvorm kan vervolgens worden bepaald door het randpatroon te interpreteren.

  Het voordeel van holografische interferometrie is dat de modusvormen van een remrotor kunnen worden vastgesteld terwijl deze piept. Inbegrepen in het holografische beeld kan de rotor zijn evenals de kussens, ankersteun en remklauw. Detechniek kan worden toegepast op een remsysteem gemonteerd op een remdynamometer. Ophangcomponenten, zoals de spil, veer en demper, kunnen ook worden opgenomen om de prestaties van het remsysteem op de auto te simuleren.

  Een voorbeeld van de waarde van dubbel gepulste holografie bij het onderzoeken van een piepende rem was werk gedaan door Nishiwaki et al. in 1989 [17]. In het remsysteem dat werd onderzocht was het duidelijk dat de modusvorm van het trillenremrotor was stationair ten opzichte van de remklauw. Vandaar dat de modusvorm ook stationair is met betrekking tot het excitatiegebied. De rotor werd gewijzigd door de symmetrie van de rotor om zijn rotatieas te veranderen. Demodusvormen van de gemodificeerde rotor moeten nu roteren ten opzichte van het excitatie-oppervlak, waardoor de rotor niet trilt in de oorspronkelijke vibratiemodus.

Fig. 6. (a) Vorm van de experimentele buigmodus; (b) Vorm van de FEA-buigmodus.

  Numerieke methodes

  Eindige elementenanalyse (FEA) is gebruikt in de analyse van het piepen van de remmen. Modale analyse van remcomponenten is een gebied waar FEA gemakkelijk kan worden toegepast. Figuur 6 (b) toont een eindig elementenmodel van een remrotor. Het model, bestaande uit8700 Tet92 vaste elementen, is ontwikkeld met behulp van een commerciële eindige elementencode ANSYS 5.6. Helaas leidt de koppeling tussen remcomponenten tot trillingsmodi die verschillen van die voor de afzonderlijke componenten. daaromde echte interesse van onderzoekers is om een ​​compleet remsysteem te kunnen modelleren.

  Het kritieke aspect bij het modelleren van een compleet remsysteem is de koppeling tussen componenten, in het bijzonder de rotor / pakkinginterface. De contactstijfheid zelf wordt aangepast met behulp van experimentele resultaten, maar het moeilijkere aspectis om de tangentiële wrijvingskoppeling in te voeren. Liles omvatte de wrijvingskoppeling tussen rotor en pad als van diagonale termen in de stijfheidsmatrix en gebruikte een complexe eigenwaarde-analyse om de stabiliteit van een remsysteem te beoordelen [5].

  Zodra het model was ontwikkeld, kon het effect van variërende parameters zoals wrijvingscoëfficiënt, padgeometrie en remklauwstijfheid worden bepaald. Dihua en Dongying gebruikten ook een vergelijkbare aanpak om het ontwerp van een anker te verbeterenbeugel [14]. Het werk van deze en andere onderzoekers heeft aangetoond dat het mogelijk is om modellen te maken met de wrijvingskoppeling tussen de rotor en de pad. Er is echter weinig experimenteel bewijsmateriaal om te verifiërende nauwkeurigheid van deze modellen. Ze kunnen nuttig zijn om het effect van variërende parameters binnen het remsysteem te bestuderen, maar hun vermogen om de belangrijke wrijvingsinterface te modelleren is beperkt. Als kleine variaties in bedrijfstemperatuur,remdruk, rotorsnelheid of wrijvingscoëfficiënt kan resulteren in verschillende squeale neigingen of frequenties (figuren 3 en 4), een nauwkeurige voorspelling van ruisgeluid met behulp van numerieke methoden vereist een nauwkeurige bepaling vanmateriaaleigenschappen (in het bijzonder voor het wrijvingsmateriaal) onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Verder blijft een goede modellering van de randvoorwaarden, vooral waar de koppeling tussen verschillende componenten belangrijk is, eenuitdaging.

Uitdagingen voor de toekomst

  Momenteel is onderzoek naar ruisgeluid gericht op specifieke remsystemen of generatiemechanismen. De uitdaging voor de toekomst is om algemene technieken en richtlijnen te kunnen ontwikkelen om het piepen van de remmen tijdens het ontwerp te eliminerenstadium. Gezien de complexiteit van de mechanismen die remgeluid genereren, lijkt het erop dat algemene richtlijnen in de toekomst ver verwijderd zijn. Voorlopig is de reductie van piepgeluid voor specifieke remsystemen haalbaar, met deaanvullende kennis die in beide gevallen is opgedaan en die bijdraagt ​​aan het algemene begrip van remgeluid.

  Theoretische analyse van remsystemen is moeilijk, gezien de complexiteit van de mechanismen en het ontbreken van een geschikt model voor de wrijvingsinterface dat zorgt dat de remmen piepen. Dit mag echter de ontwikkeling van vereenvoudiging niet beperkenmodellen als waardevol inzicht kan worden verkregen. Inzicht verkregen door het bestuderen van vereenvoudigde modellen kan helpen bij de interpretatie van experimentele resultaten en de ontwikkeling van verbeterde computationele hulpmiddelen.

  De toepassing van FEA op ruisgeluid lijkt enige belofte te bieden. Commerciële softwarepakketten worden voortdurend verfijnd met verbeterde modelleringskenmerken en de koppelingsmogelijkheden voor wrijving verbeteren. De snelle ontwikkelingin computerondersteunde technische systemen moet het mogelijk zijn om elk aspect van een remsysteem te analyseren van remprestaties tot vibro-akoestische analyse, waardoor remmen kunnen worden ontworpen met minimale neiging om te piepen engewenste remprestaties.

  Experimentele methoden zullen om een ​​aantal redenen nog steeds een belangrijke rol spelen. Ten eerste bieden ze effectievere analysetools dan numerieke of zuiver theoretische methoden. Ten tweede kan de diagnose van de oorzaak van het piepen van remmen optredenvaak alleen te vinden door te experimenteren. Ten slotte kan de veri fi catie van oplossingen voor piepproblemen en de toepasbaarheid van FEA-modellen alleen op experimentele wijze worden bereikt. Uiteindelijk is de toekomstige eliminatie van de remmen piependzal worden bevestigd door experimentele resultaten en het laatste testen van remsystemen.