Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6612
Main Title: Theoretical and experimental investigations of creep groan in automotive disk brakes
Translated Title: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Bremsenknarzen in Kfz-Scheibenbremsen
Author(s): Xingwei, Zhao
Advisor(s): Wagner, Utz von
Hetzler, Hartmut
Referee(s): Wagner, Utz von
Hetzler, Hartmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Due to the increasing comfort claims of customers, the study on low frequency creep groan has been receiving increasing attention currently. This thesis forces on the study of the fundamental mechanism of creep groan theoretically and experimentally. In order to understand creep groan step by step, the design of test rigs concentrating on creep groan are presented. A test rig with an idealized brake is built to study creep groan concentrating on friction contact, while a test rig with a real brake is also set up, which is more similar to a real vehicle. Experimental results from both test rigs are presented and compared with each other. With respect to modeling, different friction laws i.e. Coulomb’s friction law and the bristle friction law are used to describe creep groan of the test rig with an idealized brake. Both models can describe the stick-slip limit cycles, which show good agreement with the experimental results. According to the stability of the equilibrium solution and the stick-slip limit cycle, a map of creep groan can be plotted with varied parameters. The system with Coulomb’s friction law has two parameters regions, i.e. a region with a stable equilibrium solution but no stick-slip limit cycle named as region I; and a region with both stable equilibrium solution and stick-slip limit cycle named as region II. In contrast, the model with the bristle friction law has three parameter regions. Besides regions I and II, there is an additional region with an unstable equilibrium solution and a stable stick-slip limit cycle, named as region III. If Coulomb’s friction law is employed, the unknown parameters, such as the static and dynamic friction coefficients, can be identified by analyzing the geometric shape of the stick-slip limit cycle. If the bristle friction law is employed, the unknown parameters can be identified by some parameter identification algorithm, such as genetic algorithms. By changing the speed of the motor under constant brake pressure, three parameter regions namely regions I, II and III can be detected experimentally. This demonstrates that the model with the bristle friction law is more reasonable to describe creep groan. Subsequently, the theoretical and experimental studies of creep groan on the test rig with a real brake are presented. A model with a large number of degrees of freedom is set up to describe the brake system. Furthermore, a reduced-order model is proposed to improve the calculation efficiency. A map of creep groan is measured from the set-up, which shows a similar behavior with the simulated map. Finally, some countermeasures against creep groan are implemented on the theoretical model as well as on the test rigs. An active pad, containing two piezoelectric layers with an electrode layer between them, can successfully eliminate creep groan by providing a high frequency mechanical vibration in the out-of-plane direction of the disk. Another feasible method against creep groan is to increase the damping of the shaft. Moreover, it is also possible to shorten the time of creep groan by using an optimal brake technique, so that the system can leave the regions III and II rapidly by preceding the optimal brake technique.
Aufgrund der zunehmenden Komfortansprüche von Kunden erfährt auch das niederfrequente Bremsenknarzen derzeit zunehmende Aufmerksamkeit. Diese Dissertation befasst sich mit der theoretischen und experimentellen Beschreibung des fundamentalen Mechanismus des Bremsenknarzens. Um das Bremsenknarzen Schritt für Schritt zu verstehen, werden verschiedene experimentelle Aufbauten untersucht. Zunächst wird eine idealisierte Bremse untersucht, wodurch es möglich ist, den Reibkontakt losgelöst von der Komplexität einer serienmäßigen Bremse zu untersuchen. Im Anschluss wird ein Prüfstand mit einer serienmäßigen Bremse betrachtet, welcher die Situation in einem Fahrzeug möglichst gut abbildet. Versuchsergebnisse beider Prüfstände werden vorgestellt und miteinander verglichen. In Bezug auf die Modellierung werden das Coulomb‘sche Reibungsgesetz und das Bristle-Modell verwendet, um das Knarzen des Prüfstandes der idealisierten Bremse zu beschreiben. Beide Modelle enthalten die durch den Stick-Slip Effekt bedingte Grenzzykellösung, die mit den Versuchsergebnissen gute Übereinstimmung zeigen. Entsprechend der Stabilität der Gleichgewichtslösung und der Stick-Slip-Grenzzykellösung kann eine Karte des Knarzens mit verschiedenen Parametern aufgetragen werden. Das System mit dem Coulomb'schen Reibungsgesetz hat zwei Parameterbereiche, nämlich einen Bereich mit einer stabilen Gleichgewichtslösung aber keiner Stick-Slip-Grenzzykellösung, der als Bereich I bezeichnet wird und eine Region mit sowohl stabiler Gleichgewichtslösung als auch Stick-Slip-Grenzzykellösung, die als Region II bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu besitzt das Modell mit dem Bristle-Modell drei Parameterbereiche. Neben den Regionen I und II gibt es eine zusätzliche Region mit einer instabilen Gleichgewichtslösung und einer stabilen Stick-Slip-Grenzzykellösung, die mit Region III bezeichnet wird. Wenn das Coulomb-Reibungsgesetz verwendet wird, können die unbekannten Parameter wie die statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten durch Analysieren der Form des Stick-Slip-Grenzzykellösung identifiziert werden. Wenn das Bristle-Modell verwendet wird, können die unbekannten Parameter durch einen Parameteridentifikationsalgorithmus identifiziert werden. Durch Ändern der Geschwindigkeit des Motors unter konstantem Bremsdruck können drei Parameterbereiche, nämlich die Bereiche I, II und III, experimentell erfasst werden. Dies zeigt, dass das Modell mit dem Bristle-Modell eine realitätsnähere Beschreibung des Knarzens liefert. Anschließend werden die theoretischen und experimentellen Untersuchungen des Knarzens auf dem Prüfstand mit einer serienmäßigen Bremse vorgestellt. Ein Modell mit einer großen Anzahl von Freiheitsgraden wurde zur Beschreibung des Bremssystems erstellt. Darüber hinaus wird ein Modell, welches gemessene Übertragungseigenschaften des Prüfstandes beinhaltet, vorgestellt. Letztlich konnte gezeigt werden, dass eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulativen Ergebnissen besteht. Darüber hinaus werden einige Gegenmaßnahmen sowohl theoretisch als auch experimentell anhand der Prüfstände untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass durch die Verwendung eines aktiven Bremsbelags, der eine hochfrequente Anregung in den Reibkontakt einleitet, das Knarzen unterdrückt werden kann. Eine andere mögliche Methode gegen Knarzen ist, die Dämpfung zu erhöhen. Durch die genaue Bestimmung des Knarzverhaltens der Bremse ist es zudem möglich durch eine optimale Bremstechnik das Knarzintervall zu verkürzen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7348
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6612
Exam Date: 21-Dec-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 22-Jan-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): brake creep groan
stick-slip
limit cycle
Bremsenknarzen
Grenzzyklus
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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