Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8186
Main Title: Effect of vibrations on friction in the context of brake squeal
Translated Title: Einfluss von Schwingungen auf den Reibkontakt beim Bremsenquietschen
Author(s): Nguyen, Thai Minh Tuan
Advisor(s): Wagner, Utz von
Referee(s): Wagner, Utz von
Hoffmann, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Brake squeal is a case of friction-induced vibration that has not been fully understood yet due to difficulties in both experimental and theoretical approaches. Both approaches are considered in this research in order to contribute knowledge to this topic. Following the idea of the already existing Dynamic Compression Test Rig (DCTR), which shows that the dynamic stiffness of a pad specimen decreases when the vibration amplitude increases, the experimental study focuses on examining the frictional behavior under dynamical conditions that are close to the real conditions of brake squeal, limited to the case of tangential vibration. Therefore, a general model for an appropriate test rig is discussed and as a result the Oscillating Friction Test Rig (OFTR) is built with some differences compared to other friction test rigs. The test rig succeeds in creating a high-normal-force pure-sliding large-area contact between the pad specimen and the disk as well as tangential vibrations whose displacement amplitudes are in the micrometer range and frequencies in the low kHz range. The measurement results show that the friction force decreases as the vibration amplitude increases even when there is no change in the relative velocity sign or direction. This characteristic contradicts some classical theoretical modeling: Coulomb, Dahl and LuGre models show that when there is no change in the sign or the direction of relative velocity, friction force should be nearly unchanged. The tangential friction-induced damping is also observed in the measurement results. In the theoretical part, linear analysis and nonlinear analysis are performed for two low-DOF models of brake system taken from the literature: a 2-DOF model and an 8-DOF model, both are with a wobbling disk. Through linear analysis, it is found that at some points, the 8-DOF model behaves very different from the 2-DOF model. It is also found that tangential friction-induced damping affects the stability map in both cases: stronger tangential friction-induced damping enlarges the stable region. In order to do nonlinear analysis, a frequency-domain constants approach is proposed to circumvent the lack of exact equations of motion. Though unable to deliver accurate simulation over time, this approach is capable for the inclusion of the experiment results in the modeling so that it can include the nonlinearities found not only from the OFTR but also from the DCTR to estimate the limit cycle. The results confirm that the nonlinearities can restrict vibration to form the limit cycle and this approach may also predict the effects of the nonlinearities on brake squeal. A subcritical behavior due to stiffness reduction is also found: in the same system with the same parameters, a stable fix point and a stable limit cycle may coexist.
Das Phänomen Bremsenquietschen beschreibt allgemein die reiberregten Schwingungen in einer Bremse im kHz Bereich. Aufgrund von Unsicherheiten in experimentellen und theoretischen Ansätzen ist dieses Phänomen jedoch noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit werden sowohl experimentelle als auch die theoretische Ansätze betrachtet, um das Verständnis bezüglich dieser Themen zu erweitern. Folgend der Idee des schon vorhandenen „Dynamic Compression Test Rig“ (DCTR), der zeigt, dass die dynamische Steifigkeit einer Probe mit zunehmender Schwingungsamplitude abnimmt, konzentrieren sich die experimentellen Untersuchungen auf das Reibungsverhalten unter dynamischen Bedingungen. Dabei wird darauf geachtet, dass sie den tatsächlichen Quietschbedingungen bezüglich der tangentialen Schwingungen entsprechen. Zunächst wird ein allgemeines Konzept für einen geeigneten Prüfstand diskutiert. Auf dieser Grundlage wird der sogenannte „Oscillating Friction Test Rig“ (OFTR) entwickelt welcher einige Unterschiede im Vergleich zu anderen Reibprüfständen besitzt. Dieser Prüfstand ermöglicht es, einen rein gleitenden großflächigen Kontakt mit hoher Normalkraft zwischen der Pad-Probe und der Scheibe zu erzeugen. Zudem ist es möglich tangentiale Vibrationen zu erzeugen, mit Verschiebungsamplituden im Mikrometerbereich, und Frequenzen im niedrigen kHz-Bereich. Die Messergebnisse zeigen, dass die Reibungskraft mit zunehmender Schwingungsamplitude abnimmt, auch wenn sich dabei das Vorzeichen oder die Richtung der Relativgeschwindigkeit nicht ändert. Diese Eigenschaft widerspricht den klassischen Coulomb-, Dahl- und LuGre-Modellen, welche zeigen, dass die Reibungskraft nahezu unverändert bleiben sollte, wenn sich das Vorzeichen oder die Richtung der Relativgeschwindigkeit nicht ändert. Die tangentiale reibungsinduzierte Dämpfung wird ebenfalls in den Messergebnissen beobachtet. Im theoretischen Teil dieser Arbeit werden lineare und nichtlineare Analysen für zwei aus der Literatur bekannten Modellen durchgeführt. Dabei werden ein 2-DOF-Modell und ein 8-DOF-Modell untersucht Durch die lineare Analyse zeigt sich, dass das 8-DOF-Modell gegenüber dem 2-DOF-Modell unter bestimmten Parametern eher zu einem stabilen Lösungsverhalten tendiert. Es wurde auch festgestellt, dass die tangentiale Reibungsdämpfung die Stabilitätskarte in beiden Fällen positiv bezüglich der Stabilität beeinflusst. Um eine nichtlineare Analyse durchführen zu können, wird der spezieller Ansatz verwendet, um das Fehlen exakter Bewegungsgleichungen zu umgehen. Dieser Ansatz ist zwar nicht in der Lage, eine genaue Simulation über die Zeit zu liefern, ist jedoch für dynamische Experimente geeignet, sodass er sowohl die Nichtlinearitäten, die mit dem OFTR, als auch dem DCTR ermittelt wurden, zur Abschätzung des Grenzzyklus verwenden kann. Die Ergebnisse bestätigen, dass die gemessenen Nichtlinearitäten zu einem Grenzzyklus führen. Ein subkritisches Verhalten aufgrund der degressiven Steifigkeit kann ebenfalls nachgewiesen werden. Dadurch ist es möglich, dass ein System mehrere stabile Lösungen besitzt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9085
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8186
Exam Date: 6-Feb-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Mar-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): brake squeal
friction measurement
Bremsenquietschen
Reibungsmessung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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