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Untersuchung bremseninduzierter niederfrequenter Schwingungs- und Geräuschphänomene an Kraftfahrzeugen
No full textDas Bremsenknarzen ist ein niederfrequentes Geräuschphänomen bei Personenkraftwagen, welches in die Teilbereiche Schwingungsanregung, -übertragung und -abstrahlung an die Umwelt zu unterteilen ist. Die Schwingungsübertragung im Fahrzeugfahrwerk wird von schwingungstechnischen Eigenschaften, wie der Übertragungsfunktion der gekoppelten Körper oder durch die Dämpfung in Gelenken, Buchsen und Festkörpern beeinflusst. Bei der Schwingungsentstehung spielen Reibzonenprozesse und die Bremsmaterialpaarung, die Anpressdruckverteilung zwischen Bremsbelag und -scheibe sowie Steifigkeiten des Bremssystems und des Fahrwerkes eine wichtige Rolle. Die Geräuschabstrahlung wird beispielsweise durch die Fahrzeugkarosserie beeinflusst. Einflüsse auf die Knarzgeräuschintensität können in allen aufgeführten Bereichen gefunden werden. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Identifzierung und Bewertung von Einflussgrößen, die im Wesentlichen dem Teilbereich der Geräuschentstehung zuzuordnen sind. Anhand von Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt werden, kann bewertet werden, wie stark sich die unterschiedlichen Einflussgrößen entlang der Knarzwirkkette auf das niederfrequente Geräusch auswirken. Aus den Untersuchungen ergibt sich, dass die Effektivität von Geräuschgegenmaßnahmen im Bereich der Knarzanregung besonders hoch ist. Im Vergleich zu Maßnahmen, die auf die Knarzschwingungsübertragungskette oder die Knarzabstrahlung wirken, ist hier das Potenzial zur Verringerung oder Vermeidung der Knarzerscheinungen deutlich höher. Eine Literaturrecherche und die oben dargestellten Untersuchungen zeigen die Notwendigkeit der Fokussierung auf die Knarzschwingungsanregung und damit auf die Reibmechanismen. Zur Beschreibung dieser wird die Reibzone von Scheibenbremsen bei knarzrelevanten Betriebsbedingungen, also bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten und Bremsdrücken, In-Situ betrachtet. Die In-Situ Betrachtung ist eine Methode, bei der Vorgänge unmittelbar am Ort und direkt während eines ablaufenden Prozesses beobachtet werden. Bezogen auf Reibprozesse im Kontaktbereich zwischen einer Bremsscheibe und einem Reibbelag bedeutet dies, dass die Reibzonenvorgänge direkt beobachtet werden. Zur Auswertung der Reibzonenprozesse werden in der vorliegenden Arbeit besondere Methoden entwickelt und angewandt.Brake creep groan is a low-frequency noise phenomenon in passenger cars, which can be divided into the sub-areas of noise excitation, noise transmission and noise emission to the environment. The noise transmission in the vehicle chassis is influenced by vibration-related properties, such as the transfer function of the coupled bodies or by the damping in joints, bushings and solids. In the generation of noise, friction zone processes and the pairing of brake materials, the distribution of contact pressure between the brake pad and brake disc and the rigidity of the brake system and the chassis play an important role. The noise emission is influenced, for example, by the vehicle body. Influences on the intensity of the creep groan noise can be found in all of the areas listed. In the present work, the focus is on the identification and evaluation of influencing variables, which are essentially assigned to the sub-area of noise generation. On the basis of investigations that are carried out in the context of the present work, it can be evaluated how strongly the different influencing variables along the creep groan chain affect the low-frequency noise. The investigations show that the effectiveness of noise countermeasures in the area of creep groan excitation is particularly high. Compared to measures that affect the creep groan vibration transmission chain or the creep groan radiation, the potential here is significantly higher. A literature research and also the studies presented above show the need to focus on the creep groan noise excitation and thus on the friction mechanisms. To describe this, the friction zone of disc brakes is considered in-situ under creep groan-relevant operating conditions, i.e. at very low speeds and brake pressures. The in-situ observation is a method in which processes are observed directly on site and directly during an ongoing process. In relation to friction processes in the contact area between a brake disc and a friction lining, this means that the friction zone processes are observed directly. In this thesis special methods are developed and applied to investigate the friction zone processes
Advanced control functions of automotive brake systems for the optimisation of braking performance, brake wear and particle emissions
No full textIn den letzten Jahrzehnten wurden Fahrzeuge einem tiefgreifenden Einfluss auf die Anforderungen an Sicherheit, Komfort und Umweltfreundlichkeit ausgesetzt. Heutzutage hat der starke Trend zur Umwandlung traditioneller Fahrzeuge in komplexe Systeme und die ständig steigende Anzahl von Elektro- und Elektronikkomponenten die Industrie dazu gezwungen, neue Regelmethoden und deren Entwicklungsprozesse zu entwerfen. Die Optimierung der Bremsverteilung in elektrischen Antrieben mit Brake-by-Wire-Systemen erfordert die Entwicklung fortgeschrittener Schätzfunktionen. Darüber hinaus fördern die Trends zu strengeren Abgasvorschriften und das nachgewiesene Wachstum der Fahrzeugzulassungen den Bedarf an neuen Anwendungen, die die Hersteller über die Umweltfreundlichkeit ihrer Fahrzeugflotte informieren. In diesem Rahmen werden in der vorliegenden Arbeit Steuerungs- und Schätzlösungen für emissionsarme, multi-aktuierte Fahrzeuge vorgestellt, um die Bremsleistung bei gleichzeitiger Überwachung des Bremsverschleißes und der bremsbedingten Partikelemissionen zu verbessern. Die Erreichung dieses Ziels führt zu interdisziplinären Methoden, die von Fortschritten bei numerischen Modellierungs- und Simulationswerkzeugen über die Anwendung innovativer experimenteller und sensorischer Fusionstechniken bis hin zur Entwicklung und Verifizierung neuartiger Algorithmen zur Zustandsschätzung und -steuerung reichen. Die Entwicklung von Steuerungs- und Schätzfunktionen wird durch Modell-, Software- und Hardware-in-the-Loop-Techniken unterstützt, die durch ein neuartiges, an der Technischen Universität Ilmenau entwickeltes Scheibenbremsmodell verbessert werden. Auf dem Prüfgelände durchgeführte Experimente zeigen, dass die Bremsleistung in Brake-by-Wire-Systemen durch Kompensation unerwünschter Schwankungen des Bremsreibungskoeffizienten verbessert werden kann. Die Kompensationsfunktion bietet dem Fahrer eine Bremsservounterstützung, wenn die erforderliche Verzögerung nicht zu erreichen ist. In Hybrid- und Vollelektrofahrzeugen verbessert die Bremsreibungskompensation das Blending mit Elektromotoren, indem eine bessere Verfolgung der Referenzverzögerung sichergestellt wird. Außerdem ermöglicht die Schätzung des Bremsreibungskoeffizienten zusätzliche Bremsüberwachungsfunktionen. Durch neuartige Design-of-Experiments und Data-Mining-Verfahren werden die relevanten Einflüsse auf den Bremsverschleiß und die Partikelbildung erfasst. Die experimentellen Beweise treiben die Implementierung und Identifizierung fortschrittlicher Schätzverfahren voran, die früheren Schätzverfahren überlegen sind. Die vorgeschlagenen Kontroll- und Schätzfunktionen weisen im Vergleich zu anderen Ansätzen nach dem jüngsten Stand der Technik eine höhere Leistung unter realen Fahrbedingungen aus.During the past decades, on-road vehicles have undergone profound restrictions in safety, comfort and environmental friendliness requirements. Nowadays the strong trend towards the transformation of traditional on-road vehicles to complex systems interconnected with the environment and users and the constantly increasing number of electric and electronics components has forced the industry to devise new control functions and development processes thereof. Advanced estimation functions are necessary to optimise the control demand distribution in brake-by-wire systems in presence of blended operation with electric motors. Moreover, the trends in stricter tailpipe emissions regulations and the proven growth in vehicle registrations motivate the need for new tools which inform the original equipment manufacturers on the environmental friendliness of their vehicle fleet. Under this framework, the present work introduces control and estimation solutions for low-emission multi-actuated ground vehicles to improve braking performance with simultaneous monitoring of brake-related wear and particle emissions. The achievement of this goal brings up interdisciplinary methods ranging among advancements in numerical modelling and simulation tools, application of innovative experimental and sensors fusion techniques and development and verification of novel state estimation and control algorithms. The development of control and estimation functions is supported by model-, software- and hardware-in-the-loop techniques enhanced by means of a novel disc brake model developed at Technische Universität Ilmenau. Experiments performed on the proving ground shows that braking performance can be improved in brake-by-wire systems through compensation of undesired variations in the brake linings’ coefficient of friction. The compensation function provides the driver with brake servo assistance when the required deceleration cannot be achieved. In the case of hybrid and full electric vehicles, the brake linings’ friction compensation improves the control of brake blending with electric motors by ensuring better tracking of the driver reference deceleration. Moreover, the availability of a brake linings’ coefficient of friction estimate enables additional brake monitoring functions. Clever design of experiments and advanced data mining techniques allow identifying the relevant influencing factors on brake-related wear and particle formation process. The experimental evidence drives the mplementation and identification of advanced estimation techniques never dealt with in the past. The proposed control and estimation functions exhibit superior performance when compared to state-of-the-art approaches under real driving conditions
Beitrag zur experimentellen und analytischen Beschreibung partikelförmiger Bremsenemissionen
No full textVerkehrsbedingte Emissionen stehen derzeit stark in der öffentlichen Kritik, da diese zur Klimaveränderung beitragen und als gesundheitsgefährdend eingestuft werden. Verbrennungsmotorische Emissionen sind derzeit durch Grenzwerte reguliert. Durch den Einsatz effizienter Antriebsaggregate und effizienter Abgasnachbehandlungssysteme sank der Anteil dieser Emissionen am Gesamtfahrzeugausstoß in den vergangenen Jahren kontinuierlich. Für außermotorische Emissionen, zu denen auch partikelförmiger Bremsenabrieb zu zählen ist, existiert derzeit kein gesetzlicher Grenzwert bezüglich emittierter Partikelanzahl und Partikelmasse, was zu einem kontinuierlichen Anstieg des Anteils am Fahrzeuggesamtbudget führte. Da ein Teil der Verschleißpartikel den Größenklassen des Feinstaubes (= 10 [my]m) zugeordnet werden kann, ist diese Feinstaubquelle für die menschliche Gesundheit von besonderer Relevanz und steht damit im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Eine zielgerichtete Bewertung setzt effiziente Probenahmesysteme voraus, durch deren Anwendung eine ganzheitliche Analyse von Emissionscharakteristiken sowie der chemischen und physikalischen Eigenschaften unter Laborbedingungen und im realen Fahrversuch möglich wird. Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Beschreibung der Dynamik partikelförmiger Bremsenemissionen innerhalb eines geschlossenen Probenahmesystems dar. Im Einzelnen sind dies die Partikelinjektion und -verteilung bis hin zur Probenahme oder Abscheidung. Ein weiteres Ziel stellt die Verifizierung der Messfähigkeit der vornehmlich für die Ermittlung verbrennungsmotorischer Abgasemissionen entwickelten Messsysteme für den vorliegenden Anwendungsfall dar. Das übergeordnete Ziel besteht damit in einer ganzheitlichen Bewertung der zur Durchführung regulatorischer Messungen erforderlichen Mess- und Prüftechnik. Den Beginn stellt die Entwicklung einer Methodik zur Analyse des Partikelinjektions- und Abscheideverhaltens dar. Darauf aufbauend werden methodische Ansätze zur experimentellen Validierung vorgestellt. Untersuchungen zur Partikelverteilung und -abscheidung ermöglichen eine allumfassende Bewertung der ablaufenden Vorgänge. Im dritten Teil werden physikalische Messprinzipien zur Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration (PAK), Partikelmasse (PM) bzw. -konzentration (PMK) und Größenverteilungsdichte (GVD) hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit überprüft. Die Erarbeitung von Messkonzepten ermöglicht die Durchführung vergleichender Untersuchungen zur Bewertung von Einflussgrößen und Emissionsminderungspotenzialen. Den Abschluss bilden Untersuchungen zum Emissionsverhalten an variierenden Prüfumgebungen, vom Schwungmassen-Bremsenprüfstand bis hin zum realen Fahrversuch, was eine ganzheitliche Bewertung der Wechselwirkungen und Zusammenhänge ermöglicht.Traffic-related emissions are currently subject to strong public criticism, as they contribute to climate change and are classified as hazardous to health. Emissions from combustion engines are currently regulated by limit values. Due to the application of efficient powertrain units and exhaust aftertreatment systems, the amount of exhaust-related emissions has decreased continuously in recent years. There is currently no legal limit for non-exhaust emissions, such as particulate brake abrasion, which has led to a continuous increase in the share of vehicle global emissions. Since some of the emitted particles can be assigned to the size classes of particulate matter (= 10 µm), this source is of particular relevance to human health and is therefore the focus of scientific studies. Efficient sampling systems are required for a targeted evaluation of the health risk potential. Their application enables a holistic analysis of emission characteristics as well as the chemical and physical properties of the emitted particles under laboratory conditions and in real driving tests. The present work is a contribution to the description of brake particle emissions formation within a constant volume sampling system. In detail, this includes particle injection and particle distribution. A further objective is the evaluation of the applicability of the measurement systems developed primarily for the measurement of particulate exhaust emissions from combustion engines. The first part is the development of a methodology for the analysis of particle injection and deposition behaviour. Based on this, methodical approaches for experimental validation are presented. Investigations on particle distribution and particle deposition allow a holistic evaluation of the processes taking place. In the third part, physical measuring principles for the determination of particle number, particle mass and particle size distribution are examined with regard to applicability. The development of measurement concepts enables the execution of investigations for the evaluation of influencing variables and emission reduction potentials. The final part is the investigation of particle emission behaviour in varying test environments, from inertia dynamometer to real driving tests, which allows a holistic evaluation of interactions and correlations
Methoden der in-situ Visualisierung der Reibzonendynamik trockenlaufender Reibpaarungen unter Ergänzung physikalischer und chemischer Charakterisierungen der Reibpartner
No full textDie vorliegende Arbeit charakterisiert die Wirkmechanismen der Reibschicht trockenlaufender Reibpaarungen. Mittels in-situ Visualisierungsmethoden wird die Dynamik der Patchlebenszyklen über eine Bremsungsdauer ermittelt. Zudem werden die Bewegungsgeschwindigkeiten und –bahnen sowie die Verweildauern der Abriebpartikel in der Reibzone charakterisiert.
Der Charakterisierungsansatz, der zudem lokal aufgelöste Belagtopographie-, Kompressibilitäts- und Porositätsanalysen sowie chemische Analysen vorsieht, offenbart ebenfalls Zusammenhänge zwischen der Patchdynamik und der Reibbelagphysik und –chemie in Bezug auf das tribologische und thermische Verhalten. Letzteres erlaubt es, Hitzeflecken in der Reibzone zu beschreiben, indem ihre Anzahl und Flächen dynamisch bestimmt werden.
Mittels der vorgestellten Methode ist es möglich, die Dynamik und Wirkmechanismen vom einzelnen Patch über verschiedene Patchzonen bis hin zur kompletten Reibzone (inklusive Reibringverlagerungen) zu charakterisieren.The tribological behaviour of dry-running friction couples is till today
not entirely describable. The need of the knowledge of that what happens
inside the friction zone during a brake application is enormous. Hence it
is an essential objective of the present work to overcome existing limits
of in-situ investigations of the friction processes on a multi scale
level (nano, micro, macro) to characterize the mechanisms of the friction
layer.
Therefore enhanced in-situ visualisation investigations were undertaken
by the use of especially developed brake discs and original brake linings
of passenger cars. The latter include the consideration of different
compositions such as ECE, NAO and copper-free ECE formulations.
As a result the comparability of the knowledge obtained from the in-situ
test concept to conventional friction couples (cast iron disc – organic
brake lining) can be stated what underlines the capability and
significance of the novel method. Direct analogies regarding the number,
size and shape of patches can be observed by the appeared patch
behaviour. Using the visualisation and complementary analysis methods it
is for the first time feasible to characterize the dynamic of the patch
life cycles as a function of the surface area over the braking time.
Moreover the force transmitting friction zone surfaces between brake
applications were determined and allow conclusions regarding the onset of
residual torques. Beside patch analyses the wear particle velocities,
traces and dwell times inside the friction zone could be determined for
the first time. It was shown that the particles not only move much slower
compared to the rotor speed but also that the lining composition has a
crucial influence on the development of particle traces and the mutual
interaction of the particle motion behaviour.
The characterization approach which also includes additional local
resolved brake pad topography, compressibility and porosity analyses (by
the use of three dimensional computer tomography) as well as chemical
analyses (using an EDX analyser) reveals moreover important relationships
between the established patch dynamic and the pad physics and chemistry
regarding the tribological (dry and wet friction processes) and thermal
(thermoelastic instabilities) behaviour. The latter allows for the first
time to describe hot spots inside the friction zone by the dynamic
determination of their number and surface areas.
By means of the presented investigation method it is now feasible to
characterize the dynamics and mechanisms from the single patch over
certain patch zones finally to the entire friction zone (inclusive
friction ring shifts)
Measurement of Vehicle Related Non-exhaust Particle Emissions Under Real Driving Conditions
No full textSurvey on Modelling and Techniques for Friction Estimation in Automotive Brakes
No full textThe increased use of disc brakes in passenger cars has led the research world to focus on the prediction of brake performance and wear under different working conditions. A proper model of the brake linings’ coefficient of friction (BLCF) is important to monitor the brake operation and increase the performance of control systems such as ABS, TC and ESP by supplying an accurate estimate of the brake torque. The literature of the last decades is replete with semi-empirical and analytical friction models whose derivation comes from significant research that has been conducted into the direction of friction modelling of pin-disc couplings. On the contrary, just a few models have been developed and used for the prediction of the automotive BLCF without obtaining satisfactory results. The present work aims at collecting the current state of art of the estimation techniques for the BLCF, with special attention to the models for automotive brakes. Moreover, the work proposes a classification of the several existing approaches and discusses the relative pro and cons. Finally, based on evidence of the limitations of the model-based approach and the potentialities of the neural networks, the authors propose a new state observer for BLCF estimation as a promising solution among the supporting tools of the control Engineering
