On the influence of damping on brake vibrations

Hörbare, selbsterregte Schwingungen bei Kraftfahrzeugen, die während des Bremsvorgangs aus dem Reibkontakt zwischen Belag und Bremsscheibe resultieren, stellen einen Qualitätsmangel dar und können zu Kundenreklamationen führen. Kompositstrukturen - in der Automobilwelt als Shims bezeichnet - werden bei Scheibenbremsen auf Belagrückenplatten appliziert, um die Belagdämpfung zu erhöhen und einem Auftreten hochfrequenter Quietschereignisse entgegenzuwirken. Sie bestehen aus (visko-)elastischen Schichten, die oftmals eine Dicke im Zehntelmillimeterbereich aufweisen. Nach wie vor bedarf es großer Anstrengungen vor allem in experimenteller Hinsicht, um Abhilfemaßnahmen zu testen und eine Charakterisierung respektive Auswahl geeigneter Shims vornehmen zu können. Bei der Finite-Elemente (FE) Modellierung von Shimverbunden für komplexe Eigenwertanalysen wird derzeit ein Mehrschichtansatz verfolgt, der jede Schicht einzeln berücksichtigt. Diese Modellierungsart kann aufgrund inadäquater Elementseitenverhältnisse zu Elementverzerrungen beitragen und die Ergebnisqualität signifikant herabsetzen. Im Rahmen der Arbeit wird daher ein Homogenisierungsansatz für dünnwandige Shims aufgezeigt, der für die Implementierung in FE-Bemsenmodelle gedacht ist. Dieser ermöglicht die Zusammenfassung essenzieller Schichten und leitet äquivalente Systemeigenschaften ab. Eine Validierung der Modellierungsmethode wurde anhand gemessener Quietschdaten vorgenommen. Neben der Shimdämpfung hat sich bei Prüfstandsuntersuchungen die Erhöhung der Bremsscheibendämpfung als äußerst effektiv erwiesen, um Quietschphänomene zu eliminieren. Zudem ermöglichen analytische Sandwichansätze die Einbeziehung rheologischer und geometrischer Einflussfaktoren und tragen zu einem methodischen Auswahlprozess bei.Audible self-excited vibrations in vehicles resulting from the frictional contact between brake pad and disk constitute a significant lack of quality and can cause customer complaints. To counteract the occurrence of squealing, composite structures – denoted as shims in the automotive industry – are applied to back plates in disk brakes. These structures consist of (visco-)elastic layers possessing a thickness in the tenth of a millimeter range and increase the pad damping noticeably. For characterizing shims as well as for finding and testing suitable remedies for noise, great efforts are still required particularly in the experimental field. In Finite Element (FE) modeling of shim composites used for complex eigenvalue analysis a multi-layer approach is currently followed, taking each layer into account individually. This type of modeling can contribute to element distortions due to inadequate aspect ratios and significantly downgrade the quality of results. This work deals with a homogenization approach intended for implementation in FE brake systems. The approach homogenizes essential shim layers and derives equivalent system properties like stiffness and damping. Squeal data measured was used to validate the modeling method. Besides shim damping, the disk damping has proven to be highly effective in eliminating squeal phenomena in test rig investigations. Preventing the currently applied trial and error procedure used for shim selection, analytical sandwich theories enable the inclusion of rheological as well as geometrical properties of each layer and advance a methodical selection process. The methods presented in this thesis contribute a substantial impact on improving the FE-modeling of thin-walled shim composites and help reducing experimental investigations decisively