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Oktober 2013
Matthias Graf
Thermoelastische Instabilitäten in Scheibenbremssystemen
Diskrete und kontinuierliche Minimalmodelle
Eine Herausforderung in der Entwicklung moderner Scheibenbremssysteme besteht in der Unterdrückung von reibinduzierten Schwingungen, die nicht zuletzt durch Kundenreklamationen enorme Kosten verursachen. Diese reibinduzierten Schwingungen können zum Teil auf das Auftreten von sogenannten Hot Spots zurückgeführt werden, eine periodische Schwankung des Temperaturfeldes der Bremsscheibe in Umfangsrichtung. Gemeinsam mit dem Phänomen der Hot Bands, die sich als heiße Ringe auf Bremsscheiben zeigen, sind Hot Spots unerwünscht, da ihre Temperaturspitzen beteiligte Werkstoffe lokal schädigen können.
Daher ist im Entwicklungsprozess eines Bremssystems möglichst frühzeitig eine Prognose erstrebenswert, inwiefern ein Bremssystem zu Hot Spots oder Hot Bands neigt und durch welche konstruktiven oder werkstoffwissenschaftlichen Maßnahmen diese Neigung vermindert werden kann. Zwar existieren heute Berechnungsmodelle, die das Auftreten von Hot Spots und Hot Bands auf thermoelastische Instabilitäten zurückführen. Diese Modelle lösen jedoch in der Regel das dreidimensionale thermoelastische Problem durch diskrete Methoden und begrenzen durch den nicht unerheblichen numerischen Aufwand die Durchführung von umfassenden Parameterstudien. Darüber hinaus berücksichtigen solche Modelle häufig nicht den Einfluss von Verschleiß.
Diese Arbeit enthält zwei neue Berechnungsmodelle für thermoelastische Instabilitäten. Ein Minimalmodell mit zwei Freiheitsgraden erlaubt eine grundsätzliche, auch nichtlineare Systemanalyse mit Fokus auf der Auswirkung von Verschleiß. Es kann gezeigt werden, dass Verschleiß zu einer räumlichen Bewegung der Temperaturspitzen führt.
Darüber hinaus wird ein kontinuierliches Modell entwickelt, das Belag, Rückenplatte und Bremsscheibe mit Kühlkanälen berücksichtigt. Es beruht auf einer direkten Lösung des thermoelastischen Problems und berücksichtigt in den Bedingungen im Reibkontakt ebenfalls Reibungswärme und Materialverschleiß. Die Ergebnisse werden in Form von thermischen Eigenformen und zugehörigen Stabilitätsinformationen bereitgestellt. Weil die Größe der diskreten Elemente mit der Bauteilgröße identisch ist, ist eine Berechnung hocheffizient in wenigen Sekunden möglich. Somit können einflussstarke Parameter identifiziert werden, deren weitere modellbasierte oder experimentelle Untersuchung im Rahmen einer konkreten Bremsenentwicklung besonders erfolgversprechend sind.
Anhand systematischer Parameterstudien kann gezeigt werden, um welche Parameter es sich hierbei typischerweise handelt. Die Interpretation des Einflusses einzelner Parameter und der Eigenformen des Temperaturfelds ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Zusammenhänge beim Auftreten von Hot Bands und Hot Spots. Die Analysen gestatten Rückschlüsse auf die Zulässigkeit von Annahmen der Modellbildung und zeigen Potential für Optimierungen von Bremssystemen hinsichtlich thermoelastischer Instabilitäten. Schließlich unterstreicht das Modell die Rolle von Belagverschleiß als maßgeblich für die Radialbewegung von Hot Bands.
Daher ist im Entwicklungsprozess eines Bremssystems möglichst frühzeitig eine Prognose erstrebenswert, inwiefern ein Bremssystem zu Hot Spots oder Hot Bands neigt und durch welche konstruktiven oder werkstoffwissenschaftlichen Maßnahmen diese Neigung vermindert werden kann. Zwar existieren heute Berechnungsmodelle, die das Auftreten von Hot Spots und Hot Bands auf thermoelastische Instabilitäten zurückführen. Diese Modelle lösen jedoch in der Regel das dreidimensionale thermoelastische Problem durch diskrete Methoden und begrenzen durch den nicht unerheblichen numerischen Aufwand die Durchführung von umfassenden Parameterstudien. Darüber hinaus berücksichtigen solche Modelle häufig nicht den Einfluss von Verschleiß.
Diese Arbeit enthält zwei neue Berechnungsmodelle für thermoelastische Instabilitäten. Ein Minimalmodell mit zwei Freiheitsgraden erlaubt eine grundsätzliche, auch nichtlineare Systemanalyse mit Fokus auf der Auswirkung von Verschleiß. Es kann gezeigt werden, dass Verschleiß zu einer räumlichen Bewegung der Temperaturspitzen führt.
Darüber hinaus wird ein kontinuierliches Modell entwickelt, das Belag, Rückenplatte und Bremsscheibe mit Kühlkanälen berücksichtigt. Es beruht auf einer direkten Lösung des thermoelastischen Problems und berücksichtigt in den Bedingungen im Reibkontakt ebenfalls Reibungswärme und Materialverschleiß. Die Ergebnisse werden in Form von thermischen Eigenformen und zugehörigen Stabilitätsinformationen bereitgestellt. Weil die Größe der diskreten Elemente mit der Bauteilgröße identisch ist, ist eine Berechnung hocheffizient in wenigen Sekunden möglich. Somit können einflussstarke Parameter identifiziert werden, deren weitere modellbasierte oder experimentelle Untersuchung im Rahmen einer konkreten Bremsenentwicklung besonders erfolgversprechend sind.
Anhand systematischer Parameterstudien kann gezeigt werden, um welche Parameter es sich hierbei typischerweise handelt. Die Interpretation des Einflusses einzelner Parameter und der Eigenformen des Temperaturfelds ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Zusammenhänge beim Auftreten von Hot Bands und Hot Spots. Die Analysen gestatten Rückschlüsse auf die Zulässigkeit von Annahmen der Modellbildung und zeigen Potential für Optimierungen von Bremssystemen hinsichtlich thermoelastischer Instabilitäten. Schließlich unterstreicht das Modell die Rolle von Belagverschleiß als maßgeblich für die Radialbewegung von Hot Bands.
Schriftenreihe Institut für Dynamik und Schwingungen TU Braunschweig
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. Georg-Peter Ostermeyer, Braunschweig
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| Dokument |  | Inhaltsverzeichnis | ||
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