DE102016110656A1 - DEVICE AND METHOD FOR PRESSURE-DEPENDENT MODAL ANALYSIS OF BRAKE PADS - Google Patents
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Abstract
Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorhersage der Geräuschentwicklung von Bremsen unter Betriebsbedingungen durch eine druckabhängige Modalanalyse von Bremsbelägen.The subject matter of the invention relates to a method and a device for predicting the noise development of brakes under operating conditions by means of a pressure-dependent modal analysis of brake linings.
Description
Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorhersage der Geräuschentwicklung von Bremsen unter Betriebsbedingungen durch eine druckabhängige Modalanalyse von Bremsbelägen.The subject matter of the invention relates to a method and a device for predicting the noise development of brakes under operating conditions by means of a pressure-dependent modal analysis of brake linings.
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and state of the art
Die Erfindung ist motiviert durch die hohe wirtschaftliche Relevanz geräuscharmer Bremsen, insbesondere, aber nicht ausschließlich im PKW-Fahrzeugsegment. Die mit Bremsengeräuschen verbundene Kundenunzufriedenheit ist bei allen Automobilherstellern ein gefürchteter Qualitätsmangel. Selbst eine leicht quietschende Bremse schmälert bereits den Gesamteindruck eines PKWs erheblich. Das Fahrempfinden und die Beurteilung der Qualität der Fahrzeuge werden – selbst bei ansonsten einwandfreier Funktionsweise – durch diesen Mangel empfindlich beeinflusst. Darüber hinaus berechtigt eine quietschende Bremse nicht nur zu einem für den Hersteller kostenintensiven Austausch der Bremse, sondern sogar zur Rückgabe des gesamten PKWs
- 1
- vgl. LG Bonn Urteil vom 15.3.2006, Az. 2 O 445/05
- 1
- see. LG Bonn Judgment of 15.3.2006, Az. 2 O 445/05
Aus diesen Gründen werden bei Fahrzeug-, Bremsen- und Bremskomponentenherstellern Beträge in Höhe einiger Milliarden Euro ausgegeben, um das Qualitätsmerkmal einer geräuschfreien Bremse zu prüfen und zu optimieren. Bei der Entwicklung von Bremsen und Bremskomponenten werden zurzeit verschiedene Methoden und Technologien eingesetzt (
Eine grundlegende Problematik ist in diesem Zusammenhang, dass Bremsengeräusche entstehen, wenn der Bremsbelag während der Fahrzeugbewegung durch den Bremsdruck auf die Reibfläche (z. B. die Bremsscheibe) gepresst wird. Damit ist der Bremsbelag-Reibfläche-Kontakt eine Schwingungsquelle von Bremsengeräuschen. Hier wird die Bewegungsenergie zu mindestens teilweise in Schwingungsenergie umgewandelt. Deshalb haben die dynamischen Eigenschaften des Bremsbelags einen entscheidenden Einfluss auf die Akustik- und Schwingungseigenschaften (englisch: noise vibration harshness; NVH) des Bremssystems.
Dadurch, dass es im Gegensatz zur Bremsleistung für das NVH-Verhalten von Bremsbelägen nur wenige messbare Parameter gibt, gestaltet sich der Entwicklungs- und Abnahmeprozess sehr schwierig. Darüber hinaus treten auch in der Fahrzeug-Serienfertigung immer wieder Überraschungen durch Streuungen auf, da es derzeit keine verlässlichen Grenzmuster oder Toleranzen für NVH-Eigenschaften von Bremsbelägen gibt. Insbesondere existiert zurzeit kein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften von Bremsbelägen unter Betriebsbedingungen (
Die Ergebnisse dieser Tests sind dynamische Eigenschaften von Bremsenkomponenten und Bremssystemen. Allerdings sind bekannte Tests wie Materialtests des Bremsbelages oder Tests auf einem Bremsbelag-Prüfstand zu wenig realitätsnah. So ist die Aussagekraft dieser Tests für die Geräuschentwicklung einer Bremse im Fahrzeug gering und störanfällig. Weiterhin sind Verfahren, welche auf einem Schwungmassen-Prüfstand oder einer Teststrecke die Bremse inkl. Bremsscheibe, Bremsbelag, Bremssattel oder Achsschenkel u. U. montiert im Fahrzeug testen sehr aufwändig und kostenintensiv. Wünschenswert wäre daher die Entwicklung eines Testverfahrens, welches realitätsnahe Voraussagen in einem frühen Stadium der Bremsentwicklung unter Nutzung einfacher Prozessaufbauten treffen kann.The results of these tests are dynamic properties of brake components and braking systems. However, known tests such as material tests of the brake lining or tests on a brake pad test bench are not realistic enough. Thus, the significance of these tests for the noise of a brake in the vehicle is low and prone to failure. Furthermore, methods which are on a flywheel tester or a Test track the brake including brake disc, brake pad, brake caliper or steering knuckle u. U. mounted in the vehicle test very complex and expensive. It would therefore be desirable to develop a test method that can make realistic predictions at an early stage of brake development using simple process setups.
Eine Aufgabe der Erfindung war daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorhersage der Geräuschentwicklung von Bremsen bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Insbesondere sollte eine Vorrichtung und ein Verfahren entwickelt werden, welches sich für eine Festlegung von Grenzmustern und Toleranzen der NVH-Eigenschaften von Bremsbelägen unter Betriebsbedingungen eignet. Das Verfahren und die Vorrichtung sollten sich weiterhin insbesondere durch eine einfache, kostengünstige Umsetzung auszeichnen.An object of the invention was therefore to provide an apparatus and method for predicting the noise of brakes, which overcomes the disadvantages of the prior art. In particular, an apparatus and method should be developed which lends itself to establishing boundary patterns and NVH characteristics of brake linings under operating conditions. The method and the device should continue to be characterized in particular by a simple, cost-effective implementation.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.According to the invention the object is solved by the independent claims. The dependent claims represent preferred embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention.
Die Erfindung betrifft daher bevorzugt Verfahren zur Vorhersage der Geräuschentwicklung von Bremsen durch eine druckabhängige Modalanalyse von Bremsbelägen umfassend folgende Schritte:
- a. Einspannen eines Bremsbelages mit Hilfe einer Pressvorrichtung
- b. Erzeugen eines vorbestimmten Druckes P auf den Bremsbelag
- c. Mechanische Anregung des Bremsbelages mit Hilfe eines Schwingungsanregers
- d. Messung der Schwingungsantwort des Bremsbelages mit Hilfe eines Schwingungssensors
- a. Clamping a brake lining with the help of a pressing device
- b. Generating a predetermined pressure P on the brake pad
- c. Mechanical excitation of the brake lining with the help of a vibration exciter
- d. Measurement of the vibration response of the brake lining with the aid of a vibration sensor
Im Sinne der Erfindung wird unter einem „Bremsbelag” bevorzugt ein Bauteil bei Fahrzeugen verstanden mit Hilfe dessen die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs reduziert wird, in dem kinetische Energie durch Reibung an einer Trommel oder Bremsscheibe in thermische Energie umgewandelt wird. Bevorzugt umfasst der Begriff „Bremsbelag” eine zusammengesetzte Baugruppe und besonders bevorzugt ein Scheibenbremsbelag, welcher bevorzugt ein Reibmaterial, eine Bremsbelag-Zwischenschicht, eine Belagträgerrückenplatte und eine Dämpfungsplatte umfasst.For the purposes of the invention, a "brake pad" is preferably understood to mean a component in vehicles with the aid of which the speed of a vehicle is reduced, in which kinetic energy is converted into thermal energy by friction on a drum or brake disk. Preferably, the term "brake pad" comprises a composite assembly, and more preferably a disc brake pad, which preferably comprises a friction material, a brake pad intermediate layer, a pad carrier back plate and a damping plate.
Die Belagträgerrückenplatte bildet bevorzugt die Grundlage des Bremsbelages. Durch die Belagträgerrückenplatte erhält der Bremsbelag seine Stabilität und wird im Bremssattel der Bremse geführt und das aufgenommene Bremsmoment wird auf dem Bremssattel abgestützt. Weiterhin erlaubt die Belagträgerrückenplatte eine Abgabe der Temperatur an die angrenzenden Bauteile. Die Belagträgerrückenplatte kann bevorzugt aus Metallen wie beispielsweise Stahl oder Grauguss gefertigt sein.The pad carrier back plate preferably forms the basis of the brake pad. By the lining carrier back plate, the brake pad gets its stability and is performed in the brake caliper of the brake and the recorded braking torque is supported on the caliper. Furthermore, the lining carrier back plate allows a discharge of the temperature to the adjacent components. The pad backing plate may preferably be made of metals such as steel or gray cast iron.
Es kann bevorzugt sein, dass der Bremsbelag zusätzlich eine Dämpfungsplatte umfasst, welche beispielsweise eine Feder, eine Folie, ein Blech und/oder Lackschicht aufweist und zur Reduktion der Geräuschentwicklung dient.It may be preferred that the brake pad additionally comprises a damping plate which, for example, has a spring, a foil, a sheet metal and / or lacquer layer and serves to reduce the noise development.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass auf der Belagträgerrückenplatte eine Bremsbelag-Zwischenschicht (engl. underlayer) aufgebracht vorliegt, an welcher sich das Reibmaterial anschließt. Zwischen der Belagträgerrückenplatte und der Bremsbelag-Zwischenschicht befindet sich bevorzugt bei handelsüblichen Bremsbelägen eine Kleberschicht mit einer Dicke von wenigen Mikrometern, welche eine sichere Verbindung gewährleistet. Alternativ können zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit auch verschiedene Anbindungen an die Belagträgerrückenplatte wie Streckmetalle, Sinteraugrund, gekämmte Platten oder Stiftverankerungen verwendet werden.It is furthermore preferred for a brake lining intermediate layer (English underlayer) to be present on the lining carrier back plate, to which the friction material adjoins. Between the lining carrier backing plate and the brake lining intermediate layer, an adhesive layer with a thickness of a few micrometers, which ensures a secure connection, is preferably located in commercially available brake linings. Alternatively, to increase the mechanical rigidity, various connections to the backing plate such as expanded metals, Sinteraugrund, combed plates or pin anchors can be used.
Das Reibmaterial ist während des Bremsvorganges in direktem Kontakt mit der Bremstrommel oder der Bremsscheibe, sodass am Reibmaterial eine Umwandlung der kinetischen Energie in thermische Energie erfolgt. Dem Fachmann ist bekannt, dass spezielle Anforderungen an die thermische und mechanische Belastbarkeit des Reibmaterials zu der Entwicklung von einer Vielzahl verschiedener Varianten geführt hat. Handelsübliche Reibmaterialen sind daher in der Regel komplexe Komposite. Sogenannte „semi-metallic” Reibmaterialien bestehen aus Metallen, wie Stahl, Eisen, Kupfer oder Messing, welche mit Graphit, Füllstoffen und Bindemitteln gemischt werden. Organische Reibmaterialien setzten sich hingegen bevorzugt aus Fasern zusammen, welche aus Glas, Gummi, Karbon bzw. Kevlar® und Twaron® gewonnen werden, wobei temperaturresistente Kunst- bzw. Naturharze als Füllstoffe hinzugefügt werden. Low-Metallic Reibmaterialien umfassen organischen Reibmaterialien, wobei ein Anteil von 10–30% an Metallen wie Kupfer oder Stahl zugesetzt wird, um die Hitzebeständigkeit zu erhöhen. Des Weiteren werden keramische Bremsbeläge verwendet, welche aus keramischen Fasern, Füllstoffen, Bindemitteln und optional Metallen bestehen.The friction material is in direct contact with the brake drum or the brake disk during braking, so that the friction material is converted into kinetic energy into thermal energy. It is known to the person skilled in the art that special requirements for the thermal and mechanical resilience of the friction material have led to the development of a multiplicity of different variants. Commercially available friction materials are therefore usually complex composites. So-called "semi-metallic" friction materials consist of metals, such as steel, iron, copper or brass, which are mixed with graphite, fillers and binders. Organic friction materials, however, sat preferably made of fibers together, which are obtained from glass, rubber, carbon or Kevlar ® and Twaron ®, said temperature resistant artificial or natural resins are added as fillers. Low-Metallic Friction Materials include organic friction materials wherein 10-30% of metals such as copper or steel are added to increase heat resistance. Furthermore, ceramic brake pads are used, which consist of ceramic fibers, fillers, binders and optionally metals.
Die Bremsbeläge, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden, stellen daher eine komplexe Baugruppe dar, welche verschiedene Materialkomponenten umfasst. Der Fachmann erkennt, dass die vorgenannten bevorzugten Ausführungsformen von Bremsbelägen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden, eine Auswahl darstellen. Diese orientiert sich an den handelsüblich verwandten Bremsbelägen bzw. Bremsen im Fahrzeugbereich. Die Beschreibung der zu prüfenden Bremsbeläge dient daher insbesondere einer strukturellen und funktionalen Definition der Baugruppe Bremsbelag. Die Baugruppe Bremsbelag unterscheidet sich sowohl von dem isolierten Reibmaterial, als auch einer im Fahrzeug integrierten Bremse umfassend Bremsbelag und Bremsscheibe. Das Verfahren ist vorteilhafterweise geeignet für die Prüfung von Eigenschaften der Klasse oder Gattung von Bremsbelägen und ist nicht auf bevorzugte Bremsbeläge beschränkt. Somit umfasst das Verfahren ebenfalls bevorzugt die Analyse von Bremsbelägen, welche zukünftig entwickelt werden und ggf. zusätzliche Bauelemente, neben den aufgelisteten, umfassen.The brake pads, which are tested by the method according to the invention, therefore represent a complex assembly comprising different material components. The person skilled in the art recognizes that the abovementioned preferred embodiments of brake linings which are tested using the method according to the invention represent a selection. This is based on the commercially used brake pads or brakes in the vehicle area. The description of the brake linings to be tested therefore serves in particular a structural and functional definition of the brake lining assembly. The brake lining assembly differs from both the isolated friction material, as well as a built-in brake brake pad and brake disc in the vehicle. The method is advantageously suitable for testing properties of the class or type of brake linings and is not limited to preferred brake linings. Thus, the method also preferably comprises the analysis of brake pads, which will be developed in the future and possibly include additional components, in addition to those listed.
Der Gattung der Bremsbeläge ist gemein, dass ein Reibmaterial durch direkten Kontakt mit einer Bremsscheibe oder Bremstrommel die Bewegungsenergie des Fahrzeuges zumindest teilweise in Wärmeenergie umwandelt. Das Abbremsen des Fahrzeuges wird durch diese Reibung vermittelt, wobei mechanische Schwingungen auf das Reibmaterial und somit weitere Komponenten des Bremsbelages übertragen werden. Diese mechanischen Schwingungen können zu einer Geräuschentwicklung im Bremsbelag oder an verbundenen Bauelementen des Fahrzeuges oder der Bremse führen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine dynamische und druckabhängige Analyse des Schwingungsverhaltens der Baugruppe „Bremsbelag” eine aussagekräftige Vorhersage über die Geräuschentwicklung der Bremse in einem Fahrzeug unter Betriebsbedingungen erlaubt.The type of brake pads is common that a friction material by direct contact with a brake disc or brake drum, the kinetic energy of the vehicle at least partially converts it into heat energy. The braking of the vehicle is mediated by this friction, wherein mechanical vibrations are transmitted to the friction material and thus other components of the brake pad. These mechanical vibrations can lead to a noise in the brake pad or connected components of the vehicle or the brake. According to the invention, it has been recognized that a dynamic and pressure-dependent analysis of the vibration behavior of the "brake pad" assembly allows a meaningful prediction of the noise development of the brake in a vehicle under operating conditions.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Bremsbelag mithilfe einer Pressvorrichtung eingespannt, wodurch ein vorbestimmter Druck auf den Bremsbelag ausgeübt wird.In the method according to the invention, the brake pad is clamped by means of a pressing device, whereby a predetermined pressure is exerted on the brake pad.
Hierfür kann es bevorzugt sein verschiedene Arten von Pressvorrichtungen einzusetzen. Beispielsweise können hydraulische Pressvorrichtungen, Dreh-, Klemm oder Zangenpressvorrichtung bevorzugt verwandt werden. Das Einspannen des Bremsbelages mit Hilfe der Pressvorrichtung meint bevorzugt, dass eine Kraft auf den Bremsbelag ausgeübt wird, wobei sich der Bremsbelag zwischen einem Bauelement der Pressvorrichtung und einer Gegenplatte befindet. Es kann besonders bevorzugt sein, dass zu diesem Zweck der Bremsbelag in einem Bremskolben arretiert wird, welcher mit Hilfe der Pressvorrichtung gegen die Gegenplatte gedrückt wird. Diese Kraft erzeugt bevorzugt einen gleichmäßigen Druck auf den Bremsbelage, wobei der Druck P dem Quotienten aus der Kraft F und der Fläche des Bremsbelages A entspricht: P = F/A. Es ist besonders bevorzugt, dass die Pressvorrichtung weiterhin einen Sensor umfasst, welcher die derart wirkende Kraft quantifiziert, sodass der vorbestimmte Druck P auf den Bremsbelag mit Hilfe eines Feedback-Mechanismus überwacht werden kann.For this purpose, it may be preferable to use different types of pressing devices. For example, hydraulic pressing devices, rotary, clamping or forceps pressing device may preferably be used. The clamping of the brake pad by means of the pressing device preferably means that a force is exerted on the brake pad, wherein the brake pad is located between a component of the pressing device and a counter-plate. It may be particularly preferred that for this purpose the brake lining is locked in a brake piston, which is pressed by means of the pressing device against the counter-plate. This force preferably generates a uniform pressure on the brake pad, the pressure P corresponding to the quotient of the force F and the surface of the brake pad A: P = F / A. It is particularly preferred that the pressing device further comprises a sensor which quantifies the force thus acting, so that the predetermined pressure P can be monitored on the brake pad by means of a feedback mechanism.
Im eingespannten Zustand wird der Bremsbelag mit Hilfe eines Schwingungsanregers mechanisch zu periodischen Bewegungen (= Schwingungen) angeregt. Ein „Schwingungsanreger” ist im Sinne der Erfindung bevorzugt ein Bauteil, welches in der Lage ist den Bremsbelag in eine wohl definierte mechanische Schwingung zu versetzen. Geeignete Schwingungsanreger sind beispielsweise Impulshammer, welche mit einer periodischen impulsartigen Anregung durch den Schlag eines Hammers oder eines Stößel auf den Bremsbelag einwirken. Darüber hinaus kann auch eine elektrodynamische und/oder hydraulische Schwingungsanregung durch sogenannten Shaker oder Piezoelemente (z. B. Piezo-Stapel-Aktoren) erfolgen.In the clamped state, the brake pad is mechanically excited by means of a vibration exciter to periodic movements (= vibrations). A "vibration exciter" is in the context of the invention preferably a component which is able to put the brake pad in a well-defined mechanical vibration. Suitable vibration exciters are, for example, impulse hammers, which act on the brake pad with a periodic pulse-like excitation by the impact of a hammer or a plunger. In addition, an electrodynamic and / or hydraulic vibration excitation by so-called shakers or piezo elements (eg piezo stack actuators) can take place.
Die Schwingungsantwort des Bremsbelages wird bevorzugt gleichzeitig mit der Anregung erfasst. Die Schwingungsantwort kann sowohl an einer oder aber an mehreren Positionen des Bremsbelages mit Hilfe eines Schwingungssensor gemessen werden. Es ist bevorzugt, dass eine berührungslose Erfassung der Schwingungsantwort mithilfe eines Laser-Scanning-Vibrometers, eines Mikrofons oder aber optisch mithilfe einer Kamera erfolgt. Das Messprinzip der berührungslosen Erfassung der Schwingungsantwort basiert bevorzugt jeweils auf der Messung der Veränderung des elektromagnetischen oder akustischen Feldes, welches die Vibration des Bremsbelages reflektiert. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass eine berührungsbehaftete Erfassung der Schwingungsantwort durch unmittelbar am Bremsbelag angebrachten Beschleunigung-, Geschwindigkeits- oder Wegsensoren erfolgt.The vibration response of the brake pad is preferably detected simultaneously with the excitation. The vibration response can be measured both at one or at several positions of the brake lining with the aid of a vibration sensor. It is preferred that a non-contact detection of the vibration response using a laser scanning vibrometer, a microphone or optically using a camera. The measuring principle of non-contact detection of the vibration response is preferably based on the measurement of the change of the electromagnetic or acoustic field, which reflects the vibration of the brake pad. However, it may also be preferred that a touch-sensitive detection of the vibration response is effected by acceleration, speed or displacement sensors mounted directly on the brake pad.
Die Bestimmung der Schwingungsantwort umfasst bevorzugt eine Messung der Beschleunigung a, der Geschwindigkeit v oder des Weges s, welche der Bremsbelag an der betreffenden Messposition in Abhängigkeit der Schwingungsanregung vollzieht. Der Abstand zwischen der Messposition für die Schwingungsantwort und der Schwingungsanregung kann bevorzugt an die Dimensionierung und das Schwingungsverhalten des Bremsbelages angepasst werden. Durch die Bestimmung des Verhältnisse der Schwingungsantwort zur Schwingungsanregung kann vorteilhafterweise das dynamische Übertragungsverhalten der Struktur des Bremsbelages ermittelt werden. Hierzu wird bevorzugt die Übertragungsfunktion H berechnet, welche dem Quotienten aus Beschleunigung a durch die Anregungskraft Kraft F entspricht. Anstatt der Beschleunigung a können jedoch auch andere kinetische Parameter der Schwingungsantwort, wie die Geschwindigkeit v oder der Weg s einbezogen werden. Die Kraft F entspricht der mechanischen Anregung durch den Schwingungsanreger. Bevorzugt wird die Kraft des Schwingungssensors durch denselben erfasst. Beispielsweise weist ein Impulshammer zu diesem Zweck einen Kraftsensor auf, wodurch der zeitliche Kraftverlauf der Schwingungsanregung aufgezeichnet werden kann.The determination of the vibration response preferably comprises a measurement of the acceleration a, the speed v or the path s, which the brake pad at the relevant measuring position in dependence on the vibration excitation takes place. The distance between the measuring position for the vibration response and the vibration excitation can preferably be adapted to the dimensioning and the vibration behavior of the brake pad. By determining the ratios of the vibration response to the vibration excitation advantageously the dynamic transmission behavior of the structure of the brake lining can be determined. For this purpose, the transfer function H is preferably calculated, which corresponds to the quotient of acceleration a by the excitation force force F. However, instead of acceleration a, other kinetic parameters of the vibration response, such as velocity v or path s, may be included. The force F corresponds to the mechanical excitation by the Vibration exciter. Preferably, the force of the vibration sensor is detected by the same. For example, a pulse hammer for this purpose, a force sensor, whereby the temporal force curve of the vibration excitation can be recorded.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine Modalanalyse von Bremsbelägen. Im Sinne der Erfindung wird unter einer „Modalanalyse” die experimentelle oder numerische Charakterisierung des dynamischen Verhaltens des schwingungsfähigen Systems – des Bremsbelages – verstanden. Bei der Modalanalyse werden die Eigenschwingungsgrößen des Bremsbelages wie die Eigenfrequenz, Eigenform oder Dämpfung erfasst.The inventive method thus allows a modal analysis of brake pads. For the purposes of the invention, a "modal analysis" is understood to mean the experimental or numerical characterization of the dynamic behavior of the oscillatory system-the brake lining. In the modal analysis, the natural vibration quantities of the brake lining, such as the natural frequency, eigenmode or damping, are recorded.
Voraussetzung für eine Modalanalyse ist die Bestimmung der Schwingungsantwort der zu analysierenden Probe – also dem Bremsbelag – in Abhängigkeit einer mechanischen Anregung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es die Modalanalyse des Bremsbelages in Abhängigkeit eines vorbestimmten Druckes erlaubt. So wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die Schwingungsantwort eines Bremsbelages auf überraschend nichtlinearer Weise von dem Druck abhängt, welcher auf den Bremsbelag wirkt. Es hat sich gezeigt, dass sich die Eigenfrequenz, die Eigenform und Dämpfung in überraschend starkem Maße in Abhängigkeit des ausgeübten Druckes verändern. Die Eigenfrequenz und Eigenschwingungsform der Bremsbeläge bestimmen in erheblichem Maße die Geräuschentwicklung während des Bremsvorganges von Fahrzeugen unter Betriebsbedingungen. So zeigt eine ausgeprägte Eigenschwingungsform, bei einer bestimmten Eigenfrequenz eine Schwingungsresonanz an, welche zur Geräuschentwicklung beiträgt. Darüber hinaus wird durch die mechanische Kopplung des Bremsbelages an weitere Bauteile der Bremsen die Geräuschentwicklung durch Resonanzschwingungen verstärkt. Stimmt die Eigenfrequenz des Bremsbelages beispielsweise mit Eigenfrequenzen der Bremsscheibe oder anderer Bauteile des Fahrzeuges überein, so werden akustische Signale in dem Frequenzbereich verstärkt und können zu einem wahrnehmbaren Quietschen anwachsen.A prerequisite for a modal analysis is the determination of the vibration response of the sample to be analyzed - ie the brake lining - in response to a mechanical excitation. The inventive method is characterized in that it allows the modal analysis of the brake pad in response to a predetermined pressure. Thus, it has been recognized according to the invention that the oscillation response of a brake lining in a surprisingly non-linear manner depends on the pressure which acts on the brake lining. It has been found that the natural frequency, the eigenform and damping change to a surprisingly large extent as a function of the pressure exerted. The natural frequency and natural vibration of the brake pads determine to a considerable extent the noise during braking of vehicles under operating conditions. Thus, a pronounced natural vibration form, at a certain natural frequency, a vibration resonance, which contributes to the noise. In addition, the noise is enhanced by resonant vibrations by the mechanical coupling of the brake pad to other components of the brakes. If the natural frequency of the brake pad coincides, for example, with natural frequencies of the brake disc or of other components of the vehicle, then acoustic signals in the frequency range are amplified and can grow to a perceptible squeak.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich eine Schwingung des Bremsbelages ohne ausgeübten Druck, in überraschend starkem, nicht-linearem Maße von dem Schwingungsverhalten unter Ausübung von Druck unterscheidet (vgl.
In der Bremsenindustrie ist es zwar bekannt, dass die Bremsengeräusche und das Quietschverhalten der Bremse vom Bremsendruck abhängig sein können. Warum die Druckabhängigkeit besteht und von welchen Parametern diese abhängt war bisher nicht geklärt. Als eventuelle Faktoren für das dynamische Verhalten der montierten Bremse werden Toleranzen und Spiel der Bremse, Umfangsgeschwindigkeit oder der Stick–Slip-Effekt zwischen Reibmaterial und Bremsscheibe in Betracht gezogen. Die einzelnen Komponenten des Bremsbelages werden im Stand der Technik hingegen als inkompressible Festkörper angesehen. Aus diesem Grund geht ein Fachmann davon aus, dass die Komponenten der Bremsbeläge als Festkörperkomponenten unter Druck die Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und Dämpfungen nicht oder nur in sehr geringem Maße ändern. Da ein Fachmann eine solche Änderung nicht erwartet, werden im Stand der Technik für die Komponenten der Bremsbeläge Eigenfrequenz- und Dämpfungsmessungen ausschließlich unter Frei-Frei Bedingungen durchgeführt und spezifiziert. Der Fachmann geht im Stand der Technik davon aus, dass das Schwingungsverhalten unter Frei-Frei-Bedingungen dem Schwingungsverhalten unter Druck gleicht. Erfindungsgemäß wurde überraschender Weise erkannt, dass dies nicht der Fall ist. Da ebenfalls unter Betriebsbedingungen während des Abbremsens eines Fahrzeuges Drücke auf den Bremsbelag ausgeübt werden, hat die erfindungsgemäße Erkenntnis eine hohe Relevanz für die Abschätzung der Geräuschentwicklung von Bremsen.Although it is known in the brake industry that the brake noise and the squeaking behavior of the brake can be dependent on the brake pressure. Why the pressure dependence exists and on which parameters this depends was not clarified yet. Possible factors for the dynamic behavior of the mounted brake are considered tolerances and play of the brake, peripheral speed or the stick-slip effect between friction material and brake disc. The individual components of the brake lining are considered in the prior art, however, as an incompressible solid. For this reason, a person skilled in the art assumes that the components of the brake linings as solid-state components under pressure do not or only to a very limited extent change the natural frequencies, natural vibration modes and damping. Since a person skilled in the art does not expect such a change, in the prior art natural frequency and damping measurements for the components of the brake linings are carried out and specified exclusively under free-free conditions. The person skilled in the art assumes in the prior art that the vibration behavior under free-free conditions equals the vibration behavior under pressure. According to the invention, it has surprisingly been found that this is not the case. Since pressures are also exerted on the brake pad under operating conditions during the deceleration of a vehicle, the knowledge according to the invention has a high relevance for the estimation of the noise development of brakes.
Messungen des Schwingungsverhaltens von Bremsbelägen unter Frei-Frei-Bedingungen erlauben nur eine begrenzte Aussagekraft über die tatsächliche Geräuschentwicklung in Fahrzeugen. Im Gegensatz dazu vermag das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe einer druckabhängigen Modalanalyse der Bremsbeläge die Geräuschentwicklung von Bremsen in überraschend zuverlässiger und realistischer Weise vorhersagen.Measurements of the vibration behavior of brake pads under free-free conditions only allow limited information about the actual noise level in vehicles. In contrast, the method according to the invention with the aid of a pressure-dependent modal analysis of the brake linings can predict the noise development of brakes in a surprisingly reliable and realistic manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine Abkehr vom Stand der Technik dar und weist darüber hinaus besondere Vorteile gegenüber bekannten Verfahren auf. Das Messverfahren ist zerstörungsfrei, da es keine besonderen Vorbereitungsschritte der Prüflinge benötigt und ermöglicht somit eine anschließende Weiternutzung und/oder Analyse der Bremsbeläge mit anderen Prüfverfahren ermöglicht. Das Verfahren erlaubt Messungen des gesamten Bremsbelages. Dadurch kann in der Entwicklung und Qualitätsprüfung der Bremsen bereits der Einfluss von Variationen von Geometrie, Herstellungsprozess, Material oder Fügestellen der Bremsbeläge berücksichtigt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bereits alle relevanten Entwicklungsparameter und/oder Fertigungstoleranzen der Bremsbeläge erfasst. Durch die Bestimmung der dynamischen Eigenschaften des Bremsbelags unter Druck bevorzugt durch einen Bremskolben ist das Verfahren besonders realitätsnah und aussagekräftig. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren eine isolierte Analyse des Bremsbelages. Dadurch können entscheidende Bremsbelagsparameter für die Festlegung von Grenzmustern oder Toleranzen abgeleitet werden. Systemkomplexität durch einen Test im Fahrzeug wird vermieden und ein verdeckter Einfluss anderer Komponenten auf die Messergebnisse eliminiert. Das Verfahren erlaubt die dynamischen Eigenschaften von Bremsbelägen in Form von Eigenfrequenzen, modalen Dämpfungen und Eigenformen zu bestimmen. Aus diesen Schwingungsgrößen können anschließend entwicklungsrelevante Sekundärparameter für Grenzmuster und Toleranzen bezüglich der NVH-Eigenschaften abgeleitet werden. Das Verfahren erlaubt weiterhin auf besonders einfache Weise eine spätere Integration in die Qualitätsprüfung während der Bremsbelagsherstellung, wobei bestehender Normen und Richtlinien umgesetzt werden können. Der Prozess der Entwicklung von geräuscharmen Bremsen kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren in erheblichem Maße beschleunigt und vereinfacht werden. Die daraus resultierende Reduktion der Kosten bei der Entwicklung von Bremsen stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar.The method according to the invention thus represents a departure from the prior art and moreover has particular advantages over known methods. The measurement procedure is non-destructive, as it does not require any special preparation steps of the test specimens and thus enables a subsequent further use and / or analysis of the brake linings with other test methods. The method allows measurements of the entire brake pad. As a result, the influence of variations in geometry, production process, material or joints of the brake linings can already be taken into account in the development and quality testing of the brakes. By means of the method according to the invention, all relevant development parameters and / or manufacturing tolerances of the brake linings are already detected. By determining the dynamic properties of the brake pad under pressure, preferably by a brake piston, the method is particularly realistic and meaningful. In addition, the method allows an isolated analysis of the brake pad. This allows decisive brake lining parameters for the definition of limit patterns or tolerances be derived. System complexity through a test in the vehicle is avoided and a covert influence of other components on the measurement results is eliminated. The method allows to determine the dynamic properties of brake pads in the form of natural frequencies, modal damping and mode shapes. From these vibration variables, development-relevant secondary parameters for boundary patterns and tolerances with regard to the NVH properties can then be derived. The method also allows in a particularly simple manner a later integration in the quality inspection during brake pad production, whereby existing standards and guidelines can be implemented. The process of developing low-noise brakes can thus be considerably accelerated and simplified by the method according to the invention. The resulting reduction in the cost of developing brakes is a particular advantage of the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass für einen Druck P die Amplitude der Schwingungsantwort des Bremsbelages für Frequenzen in einem Frequenzbereich bestimmt wird, welcher bevorzugt zwischen 0 Hz und 20 kHz liegt, und die Modalanalyse des Bremsbelages mit einer Frequenzauflösung von mindestens 20 Hz bevorzugt mindestens 5 Hz, besonders bevorzugt mindestens 1 Hz erfolgt.In a preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that, for a pressure P, the amplitude of the oscillation response of the brake pad is determined for frequencies in a frequency range which is preferably between 0 Hz and 20 kHz, and the modal analysis of the brake pad with a frequency resolution of at least 20 Hz preferably at least 5 Hz, more preferably at least 1 Hz occurs.
Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, dass der Schwingungsanreger den Bremsbelag mit einem Impuls, welcher bevorzugt näherungsweise einem Dirac-Impuls entspricht, breitbandig im Frequenzbereich zwischen 0 und 20 kHz zum Schwingen anregt. Für den angeregten Frequenzbereich wir die Schwingungsantwort bevorzugt mit einer Frequenzauflösung 1 Hz oder weniger bestimmt.For this purpose, it is preferred that the vibration exciter excites the brake pad with a pulse, which preferably corresponds approximately to a Dirac pulse broadband in the frequency range between 0 and 20 kHz to vibrate. For the excited frequency range, the vibration response is preferably determined with a frequency resolution of 1 Hz or less.
Möglich ist auch, dass der Schwingungsanreger den Bremsbelag mit einem periodischen Signal mit einer vorbestimmten Frequenz in einem Frequenzbereich zwischen 0 und 20 kHz zum Schwingen bringt. Fur jede dieser Frequenzen wird die Schwingungsantwort bestimmt. Die Frequenzauflösung bezeichnet bevorzugt den kleinsten Abstand zwischen zwei Frequenzen, mit welcher der Bremsbelag angeregt wird. Für das Verfahren ist es besonders bevorzugt, dass die Schwingungsanregung über eine Serie von gleichmäßigen Frequenzen mit einem Abstand von kleiner als 20 Hz bevorzugt kleiner als 5 Hz angeregt wird. Dadurch kann die frequenzabhängige Schwingungsantwort mit einer Frequenzauflösung von mindestens 20 Hz oder mindestens 5 Hz gemessen werden. Die angegebenen Frequenzbereiche zwischen 0 Hz und 20 kHz sind besonders geeignet, um Aussagen über die Geräuschentwicklung der Bremsbelägen unter Betriebsbedingungen zu erhalten. Es kann aber auch bevorzugt sein, die Schwingungsantwort in einem bevorzugten Frequenzbereich bspw. zwischen 1 kHz und 10 kHz zu bestimmen, um die spezifische Daten über einen Frequenzbereich zu erhalten, in welchem ein Quietschen erwartet wird. Weiterhin erlaubt eine Frequenzauflösung von mindestens 20 Hz bevorzugt mindestens 5 Hz eine besonders aussagekräftige Extrahierung von charakteristischen Eigenschwingungsgrößen. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass eine Frequenzauflösung zwischen 1 Hz und 20 Hz eine besonders effiziente Analyse ermöglicht, wobei ein over- oder undersampling vermieden wird.It is also possible that the vibration exciter brings the brake pad to vibrate with a periodic signal having a predetermined frequency in a frequency range between 0 and 20 kHz. For each of these frequencies the vibrational response is determined. The frequency resolution preferably designates the smallest distance between two frequencies with which the brake pad is excited. For the method it is particularly preferred that the oscillation excitation is excited over a series of uniform frequencies with a distance of less than 20 Hz, preferably less than 5 Hz. As a result, the frequency-dependent oscillation response can be measured with a frequency resolution of at least 20 Hz or at least 5 Hz. The specified frequency ranges between 0 Hz and 20 kHz are particularly suitable for obtaining information about the noise development of brake linings under operating conditions. However, it may also be preferable to determine the oscillation response in a preferred frequency range, for example, between 1 kHz and 10 kHz in order to obtain the specific data over a frequency range in which squeaking is expected. Furthermore, a frequency resolution of at least 20 Hz, preferably at least 5 Hz, allows a particularly meaningful extraction of characteristic natural oscillation quantities. In particular, it has been shown that a frequency resolution between 1 Hz and 20 Hz allows a particularly efficient analysis, with an over- or undersampling is avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Modalanalyse des Bremsbelages für verschiedene Drücke P1 bis PN in einem Druckbereich durchgeführt, welcher bevorzugt zwischen 0 und 100 Bar, besonders bevorzugt zwischen 0 und 30 Bar liegt, wobei eine Druckauflösung bevorzugt mindestens 5 Bar, besonders bevorzugt mindestens 3 Bar beträgt. Es ist besonders bevorzugt, dass die Modalanalyse dabei durch Anregung des Bremsbelages in einem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 20 kHz vollzogen wird. Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens erlaubt eine systematische Analyse des akustischen Schwingungsverhaltens des Bremsbelages in einem Druckbereich von 0 bis 100 Bar, bevorzugt 0 bis 30 Bar. Die Druckbereiche reflektieren besonders gut die Kraftverhältnisse, welche in Fahrzeugen auf die Bremsbeläge wirken. Überraschenderweise zeigt eine druckabhängige Modalanalyse mit einer Druckauflösung von mindestens 5 Bar bevorzugt mindestens 3 Bar auf besonders aufschlussreiche Weise das charakteristische, dynamische Verhalten der Bremsbeläge. Die Druckauflösung bezeichnet bevorzugt den Abstand zwischen einem Druck Pi und dem nächst größeren Druck Pi+1 für welche eine Modalanalyse durchgeführt wird. Mit den vorgenannten Parametern können druckabhängige Veränderungen der Eigenfrequenzen, Dämpfungen und Eigenschwingungen überraschende genau aufgezeichnet werden. Dies ermöglicht eine präzisere Vorhersage über das tatsächliche Schwingungsverhalten des Bremsbelages während des Bremsvorganges.In a preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that the modal analysis of the brake lining for different pressures P 1 to P N carried out in a pressure range, which is preferably between 0 and 100 bar, more preferably between 0 and 30 bar, wherein a printing resolution preferably at least 5 bar, more preferably at least 3 bar. It is particularly preferred that the modal analysis is performed by excitation of the brake pad in a frequency range between 0 Hz and 20 kHz. The preferred embodiment of the method allows a systematic analysis of the acoustic vibration behavior of the brake pad in a pressure range of 0 to 100 bar, preferably 0 to 30 bar. The pressure ranges reflect particularly well the force ratios which act in vehicles on the brake pads. Surprisingly, a pressure-dependent modal analysis with a pressure resolution of at least 5 bar, preferably at least 3 bar in a particularly informative manner, shows the characteristic, dynamic behavior of the brake linings. The printing resolution preferably designates the distance between a pressure P i and the next larger pressure P i + 1 for which a modal analysis is carried out. With the aforementioned parameters, pressure-dependent changes in the natural frequencies, losses and natural oscillations can be surprisingly accurately recorded. This allows a more accurate prediction of the actual vibration behavior of the brake lining during the braking process.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsbelag mit Hilfe einer Heizplatte auf mindestens eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird und eine druckabhängige Modalanalyse bei der mindestens einen vorbestimmten Temperatur durchgeführt wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist es möglich eine Vorhersage über das Schwingungsverhalten der Bremsbeläge bei verschiedenen Betriebstemperaturen zu erhalten. Überraschender Weise ist das Schwingungsverhalten und somit die Geräuschentwicklung der Bremsbeläge nicht nur in starkem Maße von dem Druck, sondern zudem von der wirkenden Temperatur abhängig. Durch Analyse der zusätzlichen Abhängigkeit von der Temperatur, können Voraussagen über die Geräuschentwicklung für verschiedene externe Bedingungen getroffen. Im Fahrzeugbetrieb kann es unter Umständen bspw. auf einer Serpentinenfahrt durch häufige Nutzung der Bremsen zu einer starken Erhitzung kommen. Weiterhin werden Fahrzeuge unter verschiedensten Umweltbedingungen eingesetzt. Je nach geographischer Lage können auf den Bremsen daher extreme Temperaturwerte zwischen –30°C bis 50°C wirken. Neben der Funktionalität der Bremsen über den weiten Temperaturbereich ist es eine technische Herausforderung über die verschiedenen Temperaturen eine geringe Geräuschentwicklung der Bremsen sicherzustellen. Die temperaturabhängige Modalanalyse erlaubt auf besonders realitätsnahe Weise eine Simulation verschiedenster Temperaturschwankungen am Bremsbelag auf Grund von Betriebsbedingungen oder externer Umwelteinflüsse. Es ist besonders bevorzugt, dass die Heizplatte konfiguriert ist, um den Bremsbelag auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen –20°C und 400°C, bevorzugt 0°C bis 250°C zu führen. Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur können bevorzugt durch die Heizplatte eingestellt werden, in dem der Bremsbelag zuvor in einer Kühlkammer auf eine niedrige Temperatur bspw. –20°C abgekühlt wird.In a preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that the brake pad is heated by means of a hot plate to at least a predetermined temperature and a pressure-dependent modal analysis is performed at the at least one predetermined temperature. In this preferred embodiment, it is possible to obtain a prediction about the vibration behavior of the brake pads at different operating temperatures. Surprisingly, the vibration behavior and thus the noise of the brake pads is not only in strongly dependent on the pressure, but also on the effective temperature. By analyzing the additional dependence on the temperature, predictions about the noise can be made for different external conditions. In vehicle operation, it may possibly come, for example, on a serpentine drive by frequent use of the brakes to a strong heat. Furthermore, vehicles are used under various environmental conditions. Depending on the geographic location, extreme temperatures between -30 ° C and 50 ° C may appear on the brakes. In addition to the functionality of the brakes over the wide temperature range, it is a technical challenge to ensure a low noise level of the brakes over the different temperatures. The temperature-dependent modal analysis allows in a particularly realistic way a simulation of different temperature variations on the brake lining due to operating conditions or external environmental influences. It is particularly preferred that the heating plate is configured to guide the brake pad to a temperature in a range between -20 ° C and 400 ° C, preferably 0 ° C to 250 ° C. Temperatures below room temperature can preferably be set by the heating plate, in which the brake lining is previously cooled in a cooling chamber to a low temperature, for example. -20 ° C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass anhand der druckabhängigen Modalanalyse Strukturparameter des Bremsbelages identifiziert werden, welche bevorzugt druckabhängige Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und/oder modale Dämpfungen umfassen. Im Sinne der Erfindung bezeichnen Strukturparameter des Bremsbelages bevorzugt Parameter, welche eine Vorhersage über die Geräuschentwicklung des Bremsbelages erlauben. Durch Messung einer Schwingungsantwort des Bremsbelages in Abhängigkeit der Schwingungsanregung kann wie oben ausgeführt Übertragungsfunktionen erhalten werden, welche bevorzugt das Verhältnis aus der Kinetik der Schwingungsantwort (Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Weg) zur periodisch applizierten Anregungskraft oder zur periodisch applizierten Anregungsimpuls entspricht. Diese Übertragungsfunktion reflektiert das Schwingungsverhalten des Bremsbelages bei verschiedene Frequenzen in Abhängigkeit des Druckes, der Temperatur oder anderen Parameter. Die Strukturparameter erlauben bevorzugt die komplexe Übertragungsfunktion auf besonders relevante Parameter zu reduzieren, anhand derer das Schwingungsverhalten und die Geräuschentwicklung vorhersagbar ist.In a preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that structural parameters of the brake pad are identified on the basis of the pressure-dependent modal analysis, which preferably include pressure-dependent natural frequencies, natural vibration modes and / or modal damping. For the purposes of the invention, structural parameters of the brake pad preferably refer to parameters which allow a prediction of the noise level of the brake pad. By measuring a vibration response of the brake lining as a function of the vibration excitation, as described above, transfer functions can be obtained which preferably corresponds to the ratio of the kinetics of the vibration response (acceleration, velocity or displacement) to the periodically applied excitation force or to the periodically applied excitation pulse. This transfer function reflects the vibration behavior of the brake pad at different frequencies depending on the pressure, the temperature or other parameters. The structural parameters preferably allow the complex transfer function to be reduced to particularly relevant parameters by means of which the vibration behavior and the noise development can be predicted.
Die Eigenfrequenz betrifft bevorzugt eine Frequenz an der eine verstärkte Amplitude der Schwingungsantwort feststellbar ist. Die Eigenfrequenz entspricht bevorzugt einer Frequenz, wonach der Bremsbelag nach einmaliger Anregung in einer Eigenform schwingt. Erfolgt eine externe Anregung des Bremsbelages bei einer Eigenfrequenz, so schwingt der Bremsbelag mit erhöhter Amplitude. Dieses Verhalten bezeichnet man als Resonanz. Die Eigenfrequenzen erlauben daher eine Vorhersage, bei welchen Frequenzen der Bremsbelag während des Bremsvorganges in besonders starkem Maße zu einer Schwingung angeregt wird und können somit zur Vermeidung von Schwingungsresonanzen genutzt werden. Durch eine Korrelation der Eigenfrequenzen des Bremsbelages mit Eigenfrequenzen weiterer Komponenten der Bremse oder des Fahrzeuges ist eine umfassende Vorhersage über das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems möglich.The natural frequency preferably relates to a frequency at which an amplified amplitude of the vibration response can be determined. The natural frequency preferably corresponds to a frequency, after which the brake pad oscillates after a single excitation in an eigenmode. If an external excitation of the brake lining occurs at a natural frequency, then the brake pad oscillates with increased amplitude. This behavior is called resonance. The natural frequencies therefore allow a prediction in which frequencies of the brake pad during the braking process is particularly strongly excited to a vibration and thus can be used to avoid vibration resonances. By a correlation of the natural frequencies of the brake lining with natural frequencies of other components of the brake or the vehicle a comprehensive prediction of the vibration behavior of the entire system is possible.
Die Eigenform wird bevorzugt auch als Eigenschwingungsform, Mode oder Schwingungsmode bezeichnet. Die Eigenform beschreibt bevorzugt in welcher Form der Bremsbelag bei einer gegebenen Eigenfrequenz schwingt. Die Eigenform dient daher der Validierung und Identifikation der Eigenfrequenzen. Anhand der Eigenform lassen sich weiterhin Änderungsmaßnahmen bspw. hinsichtlich der geometrischen Ausgestaltung des Bremsbelages ableiten. Auch erlaubt die Bestimmung der Eigenform den Einbau des Bremsbelages hinsichtlich der Geräuschentwicklung zu optimieren. Die örtliche Auflösung der Eigenformmessung sollte bevorzugt an der Dimensionierung des jeweiligen Bremsbelages sowie den zugehörigen Eigenfrequenzen angepasst werden.The eigenform is preferably also referred to as natural vibration mode, mode or vibration mode. The eigenform preferably describes in which form the brake pad oscillates at a given natural frequency. The eigenform therefore serves to validate and identify the natural frequencies. On the basis of the eigenform further change measures can be derived eg. With regard to the geometric design of the brake pad. Also, the determination of the eigenform allows to optimize the installation of the brake pad with respect to the noise. The local resolution of the eigenform measurement should preferably be adapted to the dimensioning of the respective brake lining and the associated natural frequencies.
Die modale Dämpfung bezeichnet bevorzugt die physikalische Eigenschaft des Bremsbelages mit welcher die Amplitude der Schwingungsantwort über die Zeit abnimmt. Bevorzugt gehört dabei zu jeder Schwingungsmode oder Eigenform eine frequenzabhängige modale Dämpfung.The modal damping preferably designates the physical property of the brake lining with which the amplitude of the vibration response decreases over time. A frequency-dependent modal damping preferably belongs to each vibration mode or eigenform.
Der modalen Dämpfung liegt die Annahme zugrunde, dass jede Eigenschwingung für sich gedämpft wird. Die Kopplung zwischen den Eigenschwingungen infolge der Dämpfung wird vernachlässigt. Jede Eigenschwingung wird durch eine modale Dämpfungskraft gedämpft, die proportional zur modalen Geschwindigkeit ist.The modal damping is based on the assumption that each natural vibration is attenuated for itself. The coupling between the natural oscillations due to the damping is neglected. Each natural vibration is damped by a modal damping force that is proportional to the modal velocity.
Die Dämpfungsparameter sind durch experimentelle Messungen zu erhalten. Diese aus der Messung extrahierten temperatur- und druckabhängigen Dämpfungen können dann in Simulationsrechnungen (FEM-Finite-Elemente-Methode) übergeben werden. Dies erlaubt es besonders aussagekräftige FEM Berechnungen über den Bremsbelag durchzuführen. Anhand der FEM-Berechnung auf Basis der Dämpfungsdaten kann das physikalische Verhalten des Bremsbelages auf mechanische Anregungen besonders genau simuliert werden, um eine Anregung zu akustischen Signalen vorherzusagen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Dämpfungsmessung eine Auflösung von weniger als 0.1% aufweist.The attenuation parameters can be obtained by experimental measurements. These temperature- and pressure-dependent attenuations extracted from the measurement can then be transferred to simulation calculations (FEM finite element method). This makes it possible to perform particularly meaningful FEM calculations on the brake pad. Using the FEM calculation based on the damping data, the physical behavior of the brake lining to mechanical excitations can be simulated particularly accurately in order to predict an excitation to acoustic signals. It is particularly preferred that the attenuation measurement has a resolution of less than 0.1%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass anhand der bestimmten druckabhängigen Strukturparameter einer Abschätzung der noise vibration harshness (NVH) Eigenschaften des Bremsbelages unter Betriebsbedingungen erfolgt. Die NVH bezeichnet bevorzugt die als Geräusch akustisch wahrnehmbare Schwingung des Bremsbelages, kann aber auch die taktil wahrnehmbare Vibrationen umfassen. Die Ursache für NVH bei Bremsen ist insbesondere die Krafteinleitung in das den schwingungsfähigen Bremsbelag während des Bremsvorganges. Diese kann verschiedene Ursachen haben. So kann aufgrund von Stick-Slip-Effekt, es zu einer selbsterregten Reibschwingung an dem Grenzübergang zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag kommen. Dadurch kann es zur Abstrahlung von Körperschall, also der Ausbreitung von Schallwellen innerhalb des Bremsbelages und/oder der Bremse kommen, sowie letztendlich zu Abstrahlung von hörbarem Luftschall. Je nach Frequenz der reibungsbedingten Schwingung kann dies als unangenehmes Geräusch oder Quietschen wahrgenommen werden. Aufgrund der druckabhängigen Modalanalyse und der Berechnung von Strukturparametern kann der Körper – wie auch Luftschall während des Bremsvorganges besonders realitätsnah abgeschätzt werden. Beispielsweise reflektiert die druckabhängige Analyse der Eigenfrequenzen und Eigenformen die Resonanzschwingungen, welche die Bremsscheibe während des Bremsens durchläuft. Zusammen mit einer Analyse der Dämpfung kann dadurch eine besonders zuverlässige Vorhersage über die dynamische Geräuschentwicklung des Bremsbelages während der Bremsreibung erfolgen. Somit kann bereits durch eine einfache Analyse des Bremsbelages eine Aussage darüber getroffen werden, welcher Bremsbelag ein geeignetes NVH-Verhalten aufweist oder welcher Bremsbelag mit hoher Wahrscheinlichkeit ein ungeeignetes NVH-Verhalten aufweist. Ein ungeeignetes NVH-Verhalten ist z. B. dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenfrequenz mit stark vermindertem Dämpfungsverhalten bei einem Druck auftritt, welcher unter Betriebsbedingungen wahrscheinlich ist. Bei einem solchen Schwingungsverhalten ist die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung störender Geräusche deutlich erhöht gegenüber Bremsbelägen mit Eigenschwingungen mit verringerter Amplitude.In a preferred embodiment of the invention, the method is characterized in that based on the determined pressure-dependent structural parameters of an estimate of the noise vibration harshness (NVH) properties of the brake lining takes place under operating conditions. The NVH preferably designates the acoustically perceptible vibration of the brake pad as noise, but may also include the tactile perceptible vibrations. The cause of NVH braking is in particular the introduction of force into the oscillating brake pad during the braking process. This can have different causes. Thus, due to stick-slip effect, it comes to a self-excited frictional vibration at the border between brake disc and brake pad. This can lead to the emission of structure-borne noise, ie the propagation of sound waves within the brake pad and / or the brake, as well as the emission of audible airborne sound. Depending on the frequency of the friction-induced vibration, this can be perceived as unpleasant noise or squeaking. Due to the pressure-dependent modal analysis and the calculation of structural parameters, the body - as well as airborne noise during the braking process can be estimated particularly realistic. For example, the pressure-dependent analysis of the natural frequencies and eigenmodes reflects the resonant vibrations that the brake disc undergoes during braking. Together with an analysis of the damping can be done by a particularly reliable prediction of the dynamic noise of the brake pad during braking friction. Thus, a statement can already be made by a simple analysis of the brake lining, which brake pad has a suitable NVH behavior or which brake pad with high probability has an inappropriate NVH behavior. An inappropriate NVH behavior is e.g. B. characterized in that a natural frequency with greatly reduced damping behavior occurs at a pressure which is likely under operating conditions. With such a vibration behavior, the probability of the development of disturbing noises is significantly increased compared to brake pads with natural vibrations with reduced amplitude.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass für den selben Bremsbelag, für welchen eine druckabhängige Modalanalyse durchgeführt wurde, die NVH-Eigenschaften der Bremse mit Hilfe eines Prüfstandes für die Schallabstrahlung der Bremse gemessen werden, um eine Korrelationsmatrix zwischen den NVH-Eigenschaften der Bremse unter Betriebsbedingungen und den Ergebnissen der druckabhängige Modalanalyse des Bremsbelages zu erhalten. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise um ein nicht invasives Verfahren handelt, kann der vermessene Bremsbelag weiteren Tests zugeführt werden. Im Anschluss an eine Modalanalyse des Bremsbelages kann die Geräuschentwicklung einer Bremse mit dem Bremsbelag bevorzugt auf einem Schwungmassen-Prüfstand oder aber eingebaut im Fahrzeug im klimatisierten Rollenprüfstand oder auf einer Testprüfstrecke aufgezeichnet werden. Diese Prüfstände erlauben eine Messung der Schallabstrahlung der Bremse als Einzelsystem oder aber eingebaut in einem Fahrzeug.In a preferred embodiment, the method is characterized in that, for the same brake pad for which a pressure-dependent modal analysis has been performed, the NVH properties of the brake are measured by means of a brake sonic test bench to provide a correlation matrix between the NVH characteristics To obtain the brake under operating conditions and the results of the pressure-dependent modal analysis of the brake pad. Since the method according to the invention is advantageously a non-invasive method, the measured brake pad can be passed on to further tests. Following a modal analysis of the brake lining, the noise development of a brake with the brake pad can preferably be recorded on a flywheel test bench or installed in the vehicle in an air-conditioned chassis dynamometer or on a test test track. These test stands allow a measurement of the sound radiation of the brake as a single system or installed in a vehicle.
Auf diesen Bremsen-Prüfständen (Schwungmassenprüfstand oder Fahrzeugrollenprüfstände) werden vornehmlich Matrix-Tests gefahren, wie in der SAE J2521 entwickelt und beschrieben wurde (
- i) bei spezifischen Bremsdrücken.
- ii) bei spezifischen Temperaturen,
- iii) bei spezifischen Geschwindigkeit
- iv) bei spezifischen Geräuschfrequenzen
- v) Bei Vorwärts- Rückwärts fahrten
- i) at specific brake pressures.
- ii) at specific temperatures,
- iii) at specific speed
- iv) at specific noise frequencies
- v) Riding forwards and backwards
(vgl.
Das Ergebnis dieses Matrix-Tests ist insbesondere bei welchem Zustand und in welcher Frequenz die Bremse Geräusche über einem Schwellwert abgibt. Die Eigenfrequenzen von den Komponenten (Scheibe, Belag, Belagsträger, etc.) werden zwar vor dem Matrix-Test gemessen, jedoch ist ein direkter Rückschluss nicht möglich oder fehlerhaft gewesen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die Eigenfrequenz des Bremsbelags überraschend unter Druck ändert und erst durch diese Analyse ist ein Rückschluss möglich. Die druckabhängige Modalanalyse und daraus abgeleitete Strukturparameter stellen daher einen wesentlichen und zwingend notwendigen Beitrag zur Abschätzung der NVH-Eigenschaften einer Bremse dar. Bei einer druckabhängigen Modalanalyse des Bremsbelages vor dem Matrix-Test, ist eine eindeutige Korrelation mit den druckspezifischen Eigenfrequenzen und Dämpfungen des Belags möglich. Dies stellt einen erheblicher Vorteil für die Entwicklung einer geräuschfreien Bremse und ein wichtiger Parameter für die Spezifikation in der Serienentwicklung dar.The result of this matrix test is in particular at which state and in what frequency the brake outputs noise above a threshold value. Although the natural frequencies of the components (disc, lining, lining, etc.) are measured before the matrix test, a direct inference is not possible or has been faulty. According to the invention it has been recognized that the natural frequency of the brake lining changes surprisingly under pressure and only through this Analysis is a conclusion possible. The pressure-dependent modal analysis and the structural parameters derived from it therefore represent an essential and absolutely necessary contribution to the estimation of the NVH properties of a brake. In a pressure-dependent modal analysis of the brake pad before the matrix test, a clear correlation with the pressure-specific natural frequencies and damping of the lining is possible , This represents a considerable advantage for the development of a noise-free brake and an important parameter for specification in series development.
Durch die Messung der Schallabstrahlung der Bremse in den Prüfständen kann das tatsächliche akustische Verhalten Bremssystems im Fahrzeug experimentell erfasst werden. Durch diese Messung ist es vorteilhafterweise möglich zu überprüfen, bis zu welcher Toleranz die Vorhersagen über die Geräuschentwicklung mithilfe der druckabhängigen Modalanalyse korrekt sind. So kann beispielsweise getestet werden, ob an den ermittelten Eigenfrequenzen des Bremsbelages ein Resonanzverhalten unter einer signifikanten Geräuschentwicklung zu verzeichnen ist. Darüber hinaus kann mithilfe dieser bevorzugten Ausführungsform eine Korrelationsmatrix erstellt werden. Hierzu werden die Messergebnisse der Geräuschentwicklung auf den Prüfständen mit den Ergebnissen der druckabhängigen Modalanalyse korreliert. Vorteilhafterweise wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die druckabhängige Modalanalyse ein charakteristischer Fingerabdruck des Bremsbelages darstellt, durch welchen eine Vorhersage der Geräuschentwicklung möglich ist. Mit Hilfe der Korrelationsmatrix können Merkmale des charakteristischen Fingerabdruckes der Modalanalyse dem akustischen Verhalten besonders präzise zugeordnet werden. Durch Messungen im Prüfstand kann bspw. ermittelt werden unter welchen Bedingungen ein Quietschen der Bremse zu verzeichnen ist und mit welcher Intensität das Quietschen akustisch wahrnehmbar ist. Durch ein Vergleich mit den Daten der druckabhängigen Modalanalyse kann das Quietschen beispielsweise einem bestimmten druckabhängigen Verhalten der Eigenfrequenz, Eigenschwingungen und/oder Dämpfung zugeordnet werden. Es ist besonders bevorzugt, dass die Ergebnisse der Schallmessungen mit den Strukturparametern der druckabhängigen Modalanalyse korreliert werden. Hierdurch kann eine umfassende Korrelationsmatrix erhalten werden, welche durch die Messung jedes weiteren Bremsbelages erweitert und präzisiert wird. Dies ermöglicht eine Abtastung und Erfassung einer Vielzahl unterschiedlicher Bremsbeläge über eine große Material- und Geometriespanne. Die Ergebnisse der Korrelationsmatrix erlauben eine präzisere Vorhersage der Geräuschentwicklung von Bremsbelägen auf Basis der druckabhängigen Modalanalyse. Durch das Feedback der komplexeren Schallmessung auf Prüfstanden an bspw. Fahrzeugen können fehlerhafte Annahmen in den Vorhersagen wirksam und iterativ vermieden werden. Dadurch kann eine Methode bereitgestellt werden, welche auf Basis einer einfach durchzuführenden, druckabhängigen Modalanalyse der Bremsbeläge besonders ausgezeichnete Vorhersagen über die Geräuschentwicklung in Bremsen oder Fahrzeugen bereitstellen kann. Der Fachmann erkennt, dass die genannten Testverfahren wie ein Schwungmassen-Prüfstand oder aber eine Prüfstandteststrecke die derzeitigen Testverfahren und Prüfstände reflektieren, welche geeignet sind, um das akustische Schwingungsverhalten der Bremsen in Fahrzeugen zu messen. Im Sinne dieser bevorzugten Ausführungsform sind jedoch sämtlich u. U. zu entwickelnden Verfahren umfasst, welche die Schallabstrahlung der Bremse bevorzugt im Fahrzeug erfassen.By measuring the sound radiation of the brake in the test stands, the actual acoustic behavior of the brake system in the vehicle can be detected experimentally. By this measurement, it is advantageously possible to check up to which tolerance the predictions about the noise generation using the pressure-dependent modal analysis are correct. Thus, for example, it can be tested whether a resonance behavior under a significant noise development can be recorded at the determined natural frequencies of the brake pad. In addition, a correlation matrix can be created using this preferred embodiment. For this purpose, the measurement results of the noise development on the test stands are correlated with the results of the pressure-dependent modal analysis. Advantageously, it has been recognized according to the invention that the pressure-dependent modal analysis represents a characteristic fingerprint of the brake lining, by means of which a prediction of the noise development is possible. With the help of the correlation matrix, features of the characteristic fingerprint of the modal analysis can be assigned to the acoustic behavior in a particularly precise manner. By means of measurements in the test bench, it can be determined, for example, under which conditions there is a squeak of the brake and with what intensity the squeaking is acoustically perceptible. By comparison with the data of the pressure-dependent modal analysis, the squeaking can be assigned, for example, to a specific pressure-dependent behavior of the natural frequency, natural oscillations and / or damping. It is particularly preferred that the results of the sound measurements be correlated with the structural parameters of the pressure-dependent modal analysis. In this way, a comprehensive correlation matrix can be obtained, which is extended and specified by the measurement of each additional brake pad. This allows scanning and detection of a variety of different brake pads over a large material and geometry margin. The results of the correlation matrix allow a more accurate prediction of brake pad noise based on pressure-dependent modal analysis. By the feedback of the more complex sound measurement on test stands at eg vehicles erroneous assumptions in the forecasts can be avoided effectively and iteratively. As a result, a method can be provided which can provide particularly excellent predictions about the noise in brakes or vehicles based on an easy to perform, pressure-dependent modal analysis of the brake pads. The person skilled in the art recognizes that the test methods mentioned, such as a flywheel test stand or a test bench test track, reflect the current test methods and test stands which are suitable for measuring the acoustic vibration behavior of the brakes in vehicles. For the purposes of this preferred embodiment, however, all u. U. to be developed method which detect the sound radiation of the brake preferably in the vehicle.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur druckabhängigen Modalanalyse von Bremsbelägen, wobei die Vorrichtung eine Traverse umfasst, welche über Führungsstützen oberhalb einer Gegenplatte gelagert ist, an der Traverse ein Kolbenhalter zur Aufnahme eines Bremskolben befestigt vorliegt und an dem Bremskolben ein Bremsbelag anbringbar ist, sodass mit Hilfe einer Pressvorrichtung ein vorbestimmter Druck auf den sich auf der Gegenplatte befindenden Bremsbelag erzeugt werden kann, die Vorrichtung einen Schwingungsanreger zur Anregung des Bremsbelages und einen Schwingungssensor zur Messung der Schwingungsantwort umfasst, sodass eine druckabhängige Modalanalyse des Bremsbelages durchgeführt werden kann.In a further embodiment, the invention relates to a device for pressure-dependent modal analysis of brake pads, wherein the device comprises a cross member, which is mounted on guide supports above a counter plate on the crosshead a piston holder for receiving a brake piston is present fixed and on the brake piston, a brake pad can be attached in that a predetermined pressure can be generated on the brake pad located on the counterplate with the aid of a pressing device, the device comprises a vibration exciter for excitation of the brake lining and a vibration sensor for measuring the vibration response so that a pressure-dependent modal analysis of the brake lining can be carried out.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf besonders effektive Weise geeignet, um das erfindungsgemäße Verfahren sowie bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umzusetzen. Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen, welche für das erfindungsgemäße Verfahren und bevorzugte Ausführungsform davon offenbart wurden, gelten ebenfalls für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Beispielsweise wurde für das erfindungsgemäße Verfahren ein Impulshammer als Schwingungsanreger offenbart, mit welchem eine Anregung in einem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 20 kHz erfolgt. Dadurch kann eine besonders aussagekräftige Vorhersage über Schallabstrahlung im hörbaren Bereich des Bremsbelages erfolgen. Der Fachmann erkennt, dass somit auch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform einen Schwingungsanreger umfasst, welcher ein Impulshammer ist und derart konfiguriert ist, um den Bremsbelag im Bereich zwischen 0 Hz und 20 kHz breitbandig anzuregen.The device according to the invention is particularly effective in order to implement the method according to the invention as well as preferred embodiments of the method according to the invention. Advantages and preferred embodiments which have been disclosed for the method according to the invention and preferred embodiment thereof also apply to the device according to the invention. For example, an impulse hammer was disclosed as a vibration exciter for the inventive method, with which an excitation takes place in a frequency range between 0 Hz and 20 kHz. This can be a particularly meaningful prediction of sound radiation in the audible range of the brake pad. The person skilled in the art recognizes that the device according to the invention therefore also comprises, in a preferred embodiment, a vibration exciter which is an impulse hammer and is configured to excite the brake lining broadband in the range between 0 Hz and 20 kHz.
Ebenso ist für der Fachmann ersichtlich, dass auch bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vorteilhafte Anwendung finden. Beispielsweise ist für die Vorrichtung offenbart, dass diese bevorzugt einen Bremskolben zur Anbringung des Bremsbelages umfasst, wobei der Bremsbelag mit Hilfe einer Pressvorrichtung auf eine Gegenplatte pressbar ist. Der Fachmann entnimmt der Offenbarung, dass auch für das erfindungsgemäße Verfahren die Erzeugung eines vorbestimmten Druckes auf dem Bremsbelag bevorzugt mithilfe einer Pressvorrichtung, eines Bremskolben und einer Gegenplatte erfolgt.Likewise, it will be apparent to those skilled in the art that also preferred embodiment of the device within the method according to the invention a find advantageous application. For example, it is disclosed for the device that this preferably comprises a brake piston for attachment of the brake pad, wherein the brake pad can be pressed by means of a pressing device on a counter-plate. The skilled artisan will take the disclosure that also for the inventive method, the generation of a predetermined pressure on the brake pad is preferably carried out using a pressing device, a brake piston and a counter-plate.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus und ermöglicht durch die Verwendung von einfachen Konstruktionselementen eine kostengünstige, robuste Modalanalyse von Bremsbelägen bei verschiedenen Drücken.The device according to the invention is characterized by a particularly compact construction and, through the use of simple construction elements, enables a cost-effective, robust modal analysis of brake linings at different pressures.
Um die druckabhängige Modalanalyse an den Bremsbelägen durchzuführen, umfasst die Vorrichtung eine Traverse, welche über Führungsstützen oberhalb einer Gegenplatte gelagert ist. Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Traverse ein mechanisches Bauelement, welches für eine Abstützung eines Kolbenhalters ausgestaltet ist. Bevorzugt kann die Traverse einen Querbalken umfassen, welcher parallel zu der Oberfläche der Gegenplatte, vertikal oberhalb von dieser angebracht vorliegt. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass die Traverse eine Platte, eine Schenkelkonstruktion oder andere Bauelemente umfasst, welche zu Anbringung eines Kolbenhalters bevorzugt geeignet sind.In order to perform the pressure-dependent modal analysis on the brake pads, the device comprises a traverse, which is mounted on guide supports above a counter-plate. For the purposes of the invention, the traverse refers to a mechanical component which is designed for a support of a piston holder. Preferably, the traverse may comprise a transverse bar which is parallel to the surface of the counter-plate, mounted vertically above it. However, it may also be preferred that the traverse comprises a plate, a leg construction or other components which are preferably suitable for mounting a piston holder.
Die Traverse wird bevorzugt durch Führungsstützen oberhalb der Gegenplatte gelagert. Die Führungsstützen können an der Gegenplatte angebracht vorliegen oder separat montiert werden, bspw. an einem Maschinenbett, welches sich unterhalb der Gegenplatte befindet. Im Sinne der Erfindung bezeichnen Führungsstützen bevorzugt Bauelemente, welche durch ihre Stabilität und vertikale Ausrichtung zur Lagerung der Traverse geeignet sind. Dies können beispielsweise Stangen oder Vertikalbalken sein. Es kann auch bevorzugt sein, dass die Traverse und die Führungsstützen ein Bauelement bilden, welches zur Aufhängung eines Kolbenhalters konfiguriert wurde.The traverse is preferably supported by guide posts above the counter plate. The guide supports can be present attached to the counter plate or be mounted separately, for example. On a machine bed, which is located below the counter plate. For the purposes of the invention, guide supports preferably designate components which are suitable for their storage and stability due to their stability and vertical orientation. These can be, for example, bars or vertical bars. It may also be preferred that the crosshead and the guide posts form a structural element that has been configured to mount a piston retainer.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Gegenplatte eine Kompressionsfläche gegen welche der Bremsbelag mit Hilfe der Pressvorrichtung gedrückt wird. D. h. es ist bevorzugt, dass die Gegenplatte eine ausreichend hohe Steifigkeit aufweist, um einen definierten Gegendruck auf den Bremsbelag auszuüben.For the purposes of the invention, the counter-plate denotes a compression surface against which the brake pad is pressed by means of the pressing device. Ie. It is preferred that the counter-plate has a sufficiently high rigidity to exert a defined back pressure on the brake pad.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Kolbenhalter bevorzugt ein mechanisches Bauelement, welches geeignet zur Aufnahme eines Bremskolbens geeignet ist. An dem Bremskolben ist bevorzugt der Bremsbelag anbringbar. Es ist besonders bevorzugt, dass der Kolbenhalter und der Bremskolben den Bautypen entsprechen, mit welchen der Bremsbelag in einem Fahrzeug eingebaut werden sollte. Fahrzeugspezifische Bremskolben und Kolbenhalter ermöglichen eine besonders realitätsnahe Erzeugung des Druckes auf den Bremsbelag, da diese die Druckverteilung im Fahrzeug reflektieren. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass ein standardisierter Kolbenhalter und Bremskolben verwandt wird, um einen standardisierten Vergleich zwischen Bremsbelägen unabhängig von spezifischen Bremskolben zu ermöglichen. Die Vorrichtung ist somit nicht auf die Verwendung fahrzeugspezifischer Kolbenhalter oder Bremskolben beschränkt.For the purposes of the invention, a piston holder preferably designates a mechanical component which is suitable for receiving a brake piston. On the brake piston, the brake pad is preferably attached. It is particularly preferred that the piston holder and the brake piston correspond to the types with which the brake pad should be installed in a vehicle. Vehicle-specific brake pistons and piston holders enable a particularly realistic generation of the pressure on the brake lining, since these reflect the pressure distribution in the vehicle. However, it may also be preferred that a standardized piston holder and brake piston is used to allow a standardized comparison between brake pads independently of specific brake pistons. The device is thus not limited to the use of vehicle-specific piston holder or brake piston.
Es ist bevorzugt, dass die Pressvorrichtung an der Traverse montiert vorliegt. Für die Vorrichtung sind verschieden Pressvorrichtung geeignet wie beispielsweise Dreh-, Klemm oder Zangenpressvorrichtung. Diese Vorrichtungen erlauben es mit den Bremskolben umfassend den Bremsbelag gegen die Gegenplatte mit einer wohldefinierten Kraft zu pressen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Pressvorrichtung zudem einen Kraftsensor umfasst, um festzustellen mit welcher Kraft die Pressvorrichtung den Bremsbelag auf die Gegenplatte drückt.It is preferred that the pressing device is mounted mounted on the crossbar. For the device are different pressing device suitable as for example rotary, clamping or forceps pressing device. These devices allow the brake piston comprising the brake pad to press against the counter-plate with a well-defined force. It is particularly preferred that the pressing device also comprises a force sensor to determine the force with which the pressing device presses the brake pad onto the counter plate.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung einen Schwingungsanreger zur Anregung des Bremsbelages und einen Schwingungssensor zur Messung der Schwingungsantwort. Diese sind so konzipiert wie es für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegt wurde und eignen sich zur Modalanalyse des Bremsbelages. Die Modalanalyse wird somit bei einem durch die Pressvorrichtung vorbestimmten Druck durchgeführt, welcher durch die Pressvorrichtung einstellbar ist.In addition, the device comprises a vibration exciter for exciting the brake lining and a vibration sensor for measuring the vibration response. These are designed as set out for the method according to the invention and are suitable for the modal analysis of the brake pad. The modal analysis is thus performed at a predetermined pressure by the pressing device, which is adjustable by the pressing device.
Es war überraschend, dass eine Vorrichtung bereitgestellt werden konnte, welche mit den genannten einfachen Bauteilen realisierbar ist und eine hochauflösende druckabhängige Modalanalyse erlaubt. So ist es besonders bevorzugt, dass die gesamte Vorrichtung Abmaße von ca. 1,5 m nicht überschreitet. Dadurch ist die Vorrichtung einfach transportierbar und kann an unterschiedlichen Entwicklungsorten der Bremsbeläge eingesetzt werden. Insbesondere erlaubt die geringe Größe eine einfache Integration mit anderen Messgeräten oder die Durchführung der Messungen bei unterschiedlichen Umweltbedingungen. So kann die Vorrichtung in einer Kältekammer oder Feuchtekammer positioniert werden, um die Bremsengeräusche bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen vorherzusagen. Ein besonderer Vorteil ist weiterhin die geringen Herstellungskosten, da die benötigten Bauelemente wie eine Traverse, Kolbenhalter, Gegenplatte oder ein Pressvorrichtung sehr günstig realisierbar sind. Auch sind Komponenten wie der Schwingungsanreger oder Schwingungssensor kommerziell zu relativ günstigen Preisen erwerbbar.It was surprising that a device could be provided which can be realized with the mentioned simple components and allows a high-resolution pressure-dependent modal analysis. Thus, it is particularly preferred that the entire device does not exceed dimensions of about 1.5 m. As a result, the device is easy to transport and can be used at different development sites of the brake pads. In particular, the small size allows easy integration with other meters or performing the measurements under different environmental conditions. Thus, the device can be positioned in a cold chamber or humidity chamber to predict the brake noise in different climatic conditions. A particular advantage is still the low production costs, since the required components such as a traverse, piston holder, backing plate or a pressing device are very low feasible. Also, components such as the vibration exciter or Vibration sensor commercially available at relatively low prices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor ein Laser-Scanning-Vibrometer und/oder einen Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssaufnehmer ist und der Schwingungsanreger ein Impulshammer, ein Shaker und/oder ein Piezo-Stapel-Aktor ist.In a preferred embodiment of the invention, the device is characterized in that the vibration sensor is a laser scanning vibrometer and / or a travel, speed or acceleration sensor and the vibration exciter is a pulse hammer, a shaker and / or a piezo stack actuator is.
Das Laser-Scanning-Vibrometer ist bevorzugt eine Baugruppe, welche zur Durchführung der Laser-Scanning-Vibrometrie geeignet ist. Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Laser-Scanning-Vibrometrie bevorzugt ein optisches Verfahren zur berührungslosen Quantifizierung von Schwingungen eines Bremsbelages. Das Prinzip der berührungslosen Messung der Schwingung basiert auf der Laser-Dopple-Vibrometrie. Hierzu wird der Laserstrahl auf einem bestimmten Messpunkt der Oberfläche des Bremsbelages fokussiert. Anschließend erfolgt eine Detektion des reflektierten Laserstrahles mithilfe eines Interferometers, wodurch die Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Laserlicht bestimmt wird. Die Frequenzverschiebung hängt aufgrund des Dopplereffektes von der Schwingungsantwort des Bremsbelages am Messpunkt ab. Die Laser-Scanning-Vibrometrie zeichnet sich durch eine außerordentlich hohe Präzision aus und ist somit besonders geeignet zur Erfassung der Schwingungsantwort des Bremsbelages. Darüber hinaus kann mithilfe des Laser-Scanning-Vibrometrie auf besonders schnelle Weise eine örtliche Auflösung der Schwingungsantwort vorgenommen werden. Hierzu lediglich der Laserstrahl optisch auf verschiedene Messpositionen geleitet, wobei an jedem Messpunkt die Frequenzverschiebung und somit die Schwingungsantwort quantifiziert wird. Dadurch können beispielsweise Eigenformen mit hoher örtlicher Auflösung bestimmt werden.The laser scanning vibrometer is preferably an assembly which is suitable for carrying out the laser scanning vibrometry. For the purposes of the invention, the laser scanning vibrometry preferably designates an optical method for the contactless quantification of vibrations of a brake pad. The principle of non-contact vibration measurement is based on laser double-vibrometry. For this purpose, the laser beam is focused on a specific measuring point of the surface of the brake pad. Subsequently, a detection of the reflected laser beam by means of an interferometer, whereby the frequency shift of the backscattered laser light is determined. Due to the Doppler effect, the frequency shift depends on the vibration response of the brake lining at the measuring point. The laser scanning vibrometry is characterized by an extremely high precision and is therefore particularly suitable for detecting the vibration response of the brake pad. In addition, using laser scanning vibrometry, a local resolution of the vibration response can be made in a particularly fast manner. For this purpose, only the laser beam is optically guided to different measuring positions, wherein the frequency shift and thus the vibration response is quantified at each measuring point. As a result, for example, eigenmodes with high spatial resolution can be determined.
Es kann besonders bevorzugt sein, dass das Laser-Scanning-Vibrometer einen Spiegel umfasst zur Detektion sogenannter in-plane Moden. Der Spiegel ist bevorzugt in der Ebene des Bremsbelages aufgestellt, sodass Laserlicht detektiert wird, welches entlang der tangentialen Richtung des Bremsbelages gestreut wurde. Dadurch kann neben den normalen Schwingungsmoden (welche dem senkrecht reflektierten Laserlicht entsprechen) auch die tangentialen Schwingungsmoden (parallel zur Reibungsfläche) erfasst werden. Das Schwingungsverhalten des Bremsbelages überträgt sich unter Betriebsbedingungen nicht nur normal zur Oberfläche des Reibbelages, sondern auch tangential zu dieser. Eine Quantifizierung des Schwingungsverhaltens in beiden Achsen führt zu einer Identifikation von in- und out-of-plane Moden. Wenn die Schwingungsformen bekannt sind, kann es ausreichend sein jeweils für die in- und out-of-plane Messungen nur einen Laser Strahl zu verwenden.It may be particularly preferred that the laser scanning vibrometer comprises a mirror for detecting so-called in-plane modes. The mirror is preferably placed in the plane of the brake pad, so that laser light is detected, which was scattered along the tangential direction of the brake pad. As a result, in addition to the normal vibration modes (which correspond to the perpendicularly reflected laser light), the tangential vibration modes (parallel to the friction surface) can also be detected. The vibration behavior of the brake lining is transmitted under operating conditions not only normal to the surface of the friction lining, but also tangential to this. A quantification of the vibrational behavior in both axes leads to an identification of in- and out-of-plane modes. If the waveforms are known, it may be sufficient to use only one laser beam for in-and out-of-plane measurements.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Schwingungssensor ein Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer. Der Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer ist ein bevorzugt Bauteil, welches durch eine kontaktbehaftete Messung die Schwingungsantwort des Bremsbelages bestimmt. Dazu ist es bevorzugt, dass der Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer am Bremsbelag angebracht vorliegt und mit diesem gemeinsam schwingt. Es ist bevorzugt, dass der Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer ein geringes Gewicht aufweist, um den Einfluss auf die gemessenen Daten zu reduzieren. Es ist besonders bevorzugt, dass der Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer den Weg, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Schwingungen in den drei orthogonalen Achsen erfassen kann, um eine die dreidimensionale Schwingung des Bremsbelages zu erfassen. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer lediglich den Weg, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung in der vertikalen Achse erfasst und somit nur die normalen Schwingungsmoden des Bremsbelages aufzeichnet.In another embodiment, the vibration sensor is a displacement, velocity or acceleration sensor. The displacement, speed or acceleration sensor is a preferred component which determines the vibration response of the brake pad by a contact-type measurement. For this purpose, it is preferred that the displacement, speed or acceleration sensor is mounted on the brake pad and oscillates together with it. It is preferred that the displacement, velocity or acceleration sensor has a low weight in order to reduce the influence on the measured data. It is particularly preferred that the displacement, velocity or acceleration sensor can detect the path, velocity or acceleration of the vibrations in the three orthogonal axes to detect the three-dimensional vibration of the brake pad. However, it may also be preferred that the displacement, speed or acceleration sensor only detects the path, the speed or the acceleration in the vertical axis and thus records only the normal vibration modes of the brake lining.
Als Schwingungsanreger werden bevorzugt ein Impulshammer, ein Shaker oder ein Piezo-Stapel-Aktor eingesetzt. Ein skalierbarer automatischer Impulshammer ist bevorzugt ein Hammer oder Stößel, welche durch eine impulsartige Bewegung den Bremsbelag zu einer mechanischen Schwingung anregt, wobei der Impulsübertrag als eine Kraftübertragung aufgezeichnet wird. Der skalierbare automatische Impulshammer erlaubt eine besonders präzise Anregung des Bremsbelages an einer definierten Position, da die Impulsanregung örtlich auf den Wirkbereich des Hammers oder Stößels begrenzt ist. Durch die Verwendung eines Impulshammers ist somit eine Auflösung des Schwingungsverhaltens mit besonders hoher örtlicher Genauigkeit realisierbar. Des Weiteren zeichnet sich der Impulshammer durch eine einfache Installationsweise und Langlebigkeit aus.As vibration exciter preferably a pulse hammer, a shaker or a piezo-stack actuator are used. A scalable automatic impulse hammer is preferably a hammer or plunger which, by a pulse-like motion, excites the brake pad to mechanical vibration, recording the momentum transfer as a force transfer. The scalable automatic impulse hammer allows a particularly precise excitation of the brake pad at a defined position, as the impulse excitation is locally limited to the effective range of the hammer or plunger. By using a pulse hammers a resolution of the vibration behavior with particularly high local accuracy can thus be realized. Furthermore, the impulse hammer is characterized by a simple installation method and longevity.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Shaker bevorzugt einen Vibrator, welcher in Kontakt mit dem Bremsbelag ist und durch Zuführung von Energie diesen in mechanischen Schwingungen einer definierten Amplitude und Frequenz versetzt. Zu diesem Zweck ist es bekannt im Stand der Technik elektrodynamische Shaker einzusetzen, welche mit beliebig einstellbarer Frequenz vibrieren. Aufgrund der Größer der Shaker ist auch durch diese eine lokal definierte Schwingungsanregung möglich. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Bremsbelag auf einem Schwingungstisch installiert vorliegt, wodurch der Bremsbelag als Ganzes oder in ausgedehnten Teilbereichen zu Schwingungen anregt wird.For the purposes of the invention, a shaker preferably designates a vibrator which is in contact with the brake lining and by supplying energy displaces it into mechanical vibrations of a defined amplitude and frequency. For this purpose, it is known in the prior art to use electrodynamic shakers, which vibrate with arbitrarily adjustable frequency. Due to the size of the shaker, a locally defined vibration excitation is also possible through this. But it may also be preferred that the brake pad is installed on a vibration table, whereby the brake lining is excited as a whole or in extensive areas to vibrations.
Weitere Schwingungsanreger, welche bevorzugt verwandt werden sind sogenannte Piezo-Stapel Aktoren, welche mithilfe des inversen Piezo-Effektes unter Anlegung einer alternierenden elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung ausführen. Die Piezo-Stapel-Aktoren sind für die Vorrichtung besonders geeignet, um präzise Schwingungen zu bewirken, da die dynamische Ausdehnung mit Hilfe der elektrischen Spannung selbst für kleinste Schwingungsamplituden sehr genau und stabil einstellbar ist.Other vibration exciters, which are preferably used are so-called piezo-stack actuators, which perform a mechanical movement with the aid of the inverse piezo effect under application of an alternating electrical voltage. The piezo stack actuators are particularly suitable for the device in order to effect precise oscillations, since the dynamic expansion with the aid of the electrical voltage is very accurately and stably adjustable even for the smallest vibration amplitudes.
Im Sinne der Erfindung sind jegliche Pressvorrichtungen denkbar und möglich, welche eine Ausübung eines Druckes bevorzugt eines homogenen verteilten Druckes auf den Bremsbelag ermöglichen. Die Pressvorrichtung sollte dabei jedoch so ausgestaltet sein, dass diese eine Detektion des Schwingungsverhaltens des Bremsbelages im eingespannten Zustand ermöglicht. Es hat sich gezeigt, dass zu diesem Zweck insbesondere eine hydraulische Spindel eine besonders einfache, sichere und präzise Umsetzung erlaubt.For the purposes of the invention, any pressing devices are conceivable and possible which allow the application of a pressure preferably a homogeneous distributed pressure on the brake pad. However, the pressing device should be designed so that it allows detection of the vibration behavior of the brake pad in the clamped state. It has been shown that for this purpose, in particular a hydraulic spindle allows a particularly simple, safe and precise implementation.
Die hydraulische Spindel wird bevorzugt an der Traverse montiert, beispielsweise eingeschraubt. Durch eine Rotationsbewegung wird bevorzugt die Hydraulik aktiviert der Kolbenhalter nach unten gedrückt wird. Im Sinne der Erfindung ist „unten” und „oben” im Sinne der Schwerkraft definiert, wobei sich die Gegenplatte bevorzugt unten und die Traverse bevorzugt oberhalb der Gegenplatte befindet. Durch die Hydraulik lässt sich ein besonders präziser Druck einstellen und über einen lange Zeitraum stabil halten. Zur Kontrolle des eingestellten Druckes auf den Bremsbelag erfolgt bevorzugt eine Messung der Druckkraft mit welcher die hydraulische Spindel den Bremsbelag auf die Gegenplatte presst. Hierzu ist es bevorzugt, dass die hydraulische Spindel eine Kraftmessdose umfasst, welche die Presskraft quantifiziert und speichert. Dem Fachmann ist bewusst, dass auch andere Ausführungsformen von Pressvorrichtung geeignet sein können. Die hydraulische Spindel stellt jedoch eine besonders kostengünstige, leichte und dennoch präzise Möglichkeit dar, um eine Modalanalyse bei verschiedenen Drücken auszuführen. Die hydraulische Spindel ist darüber hinaus bevorzugt derart konfigurierbar um Drücke zwischen 0 bar und 100 bar bevorzugt zwischen 0 und 30 Bar mit einer Genauigkeit von +/–2,5 Bar einzustellen.The hydraulic spindle is preferably mounted on the crossbar, for example screwed. By a rotational movement, the hydraulic is preferably activated, the piston holder is pressed down. For the purposes of the invention, "bottom" and "top" are defined in terms of gravity, with the counterplate preferably located at the bottom and the crossbeam preferably above the counterplate. Thanks to the hydraulics, a particularly precise pressure can be set and kept stable over a long period of time. To control the set pressure on the brake pad is preferably carried out a measurement of the pressure force with which the hydraulic spindle presses the brake pad on the counter plate. For this purpose, it is preferred that the hydraulic spindle comprises a load cell which quantifies and stores the pressing force. The skilled person is aware that other embodiments of pressing device may be suitable. However, the hydraulic spindle is a particularly cost-effective, lightweight yet accurate way to perform a modal analysis at various pressures. In addition, the hydraulic spindle is preferably configurable to set pressures between 0 bar and 100 bar, preferably between 0 and 30 bar with an accuracy of +/- 2.5 bar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Heizplatte, welche in Kontakt mit dem Bremsbelag angebracht vorliegt. Die Heizplatte kann dabei bevorzugt mithilfe einer elektrischen Spannung auf eine gewünschte Heiztemperatur eingestellt werden. Dadurch, dass sich die Heizplatte bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Bremsbelag befindet, wird der Bremsbelag auf eine Temperatur erhitzt, welche bevorzugt gemäß einer Kalibrierung eingestellt wird. Zur Überwachung der Temperatur kann bevorzugt ein Temperatursensor eingesetzt werden. Mithilfe einer solchen Heizplatte lässt sich eine besonders homogene Temperaturverteilung im Bremsbelag erzielen. Durch diese Ausführungsform ist es möglich nicht nur einen vorbestimmten Druck auf den Bremsbelag auszuüben, sondern zudem die Modalanalyse für vordefinierte Temperaturwerte durchzuführen.In a further preferred embodiment, the device comprises a heating plate which is mounted in contact with the brake pad. The heating plate can preferably be adjusted by means of an electrical voltage to a desired heating temperature. Characterized in that the heating plate is preferably in direct contact with the brake pad, the brake pad is heated to a temperature which is preferably adjusted according to a calibration. For monitoring the temperature, a temperature sensor can preferably be used. With the help of such a heating plate, a particularly homogeneous temperature distribution in the brake lining can be achieved. By this embodiment, it is possible not only to exert a predetermined pressure on the brake pad, but also to perform the modal analysis for predefined temperature values.
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to examples, without being limited to these.
Kurzbeschreibung der AbbildungenBrief description of the pictures
An der Traverse (
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bremsbelagbrake lining
- 33
- Bremskolbenbrake pistons
- 55
- Traversetraverse
- 77
- Führungsstützenguide posts
- 99
- Gegenplattecounterplate
- 1111
- Schwingungsanregervibration exciter
- 1313
- Schwingungssensorvibration sensor
- 1717
- Kolbenhalterflask holder
- 1919
- Führungsstützenguide posts
- 2121
- KraftmessdoseLoad cell
- 2323
- Weg-, Geschwindigkeits- oder BeschleunigungsaufnehmerDistance, speed or accelerometer
- 2525
- ImpulshammerElectronic hammer
- 2727
- Maschinenbettmachine bed
- 2929
- Adapter für GegenplatteAdapter for counter plate
- 3131
- Adapter für BremskolbenAdapter for brake pistons
- 3737
- Laserstrahl des Laser-Scanning-VibrometersLaser beam of the laser scanning vibrometer
- 3333
- Pressvorrichtungpressing device
- 3434
- Hydraulische SpindelHydraulic spindle
- 3535
- Laser-Scanning-VibrometerLaser scanning vibrometer
- 37a37a
- Laserstrahl zur Detektion der normalen SchwingungsmodeLaser beam for the detection of the normal vibration mode
- 37b37b
- Laserstrahl zur Detektion der tangentialen SchwingungsmodenLaser beam for the detection of tangential vibration modes
- 3939
- Spiegelmirror
- 4141
- Heizplatteheating plate
- 4242
- Scheibenbremsedisc brake
- 4343
- Sattelsaddle
- 4545
- Bremsscheibebrake disc
- 4747
- Dämpfungsplattedamping plate
- 4949
- BelagträgerrückenplatteLining carrier backplate
- 5151
- Bremsbelag-ZwischenschichtBrake lining intermediate layer
- 5353
- Reibmaterialfriction material
- 5555
- Fasechamfer
- 5757
- Schlitzslot
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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