El chirrido de los frenos: una revisión de la literatura

Abstracto

  El chirrido de los frenos, que generalmente cae en el rango de frecuencia entre 1 y 16 kHz, ha sido una de las preocupaciones más difíciles asociadas con los sistemas de frenos automotrices desde su inicio. Causa insatisfacción del cliente y aumentalos costos de garantía. Aunque se han llevado a cabo investigaciones importantes para predecir y eliminar el chirrido de los frenos desde la década de 1930, todavía es bastante difícil predecir su aparición. En este trabajo, las características y la corrientelas dificultades encontradas al abordar el chirrido de los frenos se describen en primer lugar. Luego se da una revisión de los métodos analíticos, experimentales y numéricos usados ​​para la investigación del chirrido de los frenos. Algunos de los desafíos que enfrenta el chirrido de los frenosla investigación se describe. Todos los derechos reservados.

 Introducción

  El chirrido de los frenos ha sido una de las preocupaciones más difíciles asociadas con los sistemas de frenos automotrices desde su inicio. La investigación para predecir y eliminar el chirrido de los frenos se ha llevado a cabo desde la década de 1930 [1,2]. Inicialmente tamborLos frenos se estudiaron debido a su amplio uso en los primeros sistemas de frenos automotrices. Sin embargo, los sistemas de frenos de disco se usan más extensamente en los vehículos modernos y se han convertido en el foco de la investigación del chirrido de los frenos.

  Figs. 1 y 2 muestran un sistema de freno de disco típico con un diseño de calibre de tipo "último tipo". Un sistema de freno de disco consiste en un rotor que gira alrededor del eje de la rueda. El conjunto de pinza está montado en el sistema de suspensión del vehículoa través de un ancla

Fig. 1. Un sistema típico de frenos de tipo 'puño'.

Fig. 2. Esquema de un sistema de freno de disco.

soporte. La carcasa de la pinza puede deslizarse sobre el soporte de anclaje a través de los dos pasadores. Las pastillas de freno con material de fricción moldeado también pueden deslizarse sobre el soporte de anclaje. Un pistón puede deslizarse dentro de la carcasa de la pinza. Cuando la presión hidráulica esaplicado, el pistón se empuja hacia adelante para presionar la almohadilla interior contra el rotor y mientras tanto, la carcasa se empuja en la dirección opuesta para presionar la almohadilla exterior contra el rotor, generando así un par de frenado.

  Como todas las otras aplicaciones con interfaz de fricción, el ruido y la vibración son subproductos inherentes a la aplicación de frenos. El ruido y la vibración del freno se clasificaron según su frecuencia como vibración, gemido, zumbido, chirridoy cepillo de alambre [3]. El ruido chirriante que es particularmente molesto generalmente cae en un rango de frecuencia de 1 a 16 kHz.

  El chirrido del freno se genera por la vibración de un modo de vibración inestable del sistema de frenos. En esta condición, el rotor de freno puede actuar como un altavoz ya que tiene grandes superficies planas que pueden irradiar fácilmente el sonido. La ocurrencia deEl chirrido del freno es una preocupación ya que causa incomodidad significativa a los ocupantes del vehículo y conduce a la insatisfacción del cliente y al aumento de los costos de garantía. Desafortunadamente, el gran cuerpo de investigación sobre el chirrido de los frenos no ha podidoproporcionar una comprensión completa de, o la capacidad de predecir su ocurrencia [1-26]. Esto se debe en parte a la complejidad de los mecanismos que provocan el chirrido de los frenos y, en parte, a la naturaleza competitiva de la industria automotriz.industria, que limita la cantidad de investigación cooperativa que se publica en la literatura abierta.

  Aunque Yang y Gibson realizaron una revisión exhaustiva del chirrido de los frenos en 1997 [4], se enfocó en cierto grado en los aspectos materiales de un sistema de frenos. El objetivo de este documento es delinear las características ylas dificultades actuales encontradas al abordar el chirrido de los frenos y revisar los métodos analíticos, experimentales y numéricos utilizados para la investigación del chirrido de los frenos.

Características del chirrido de los frenos

  Uno de los mayores contribuyentes al chirrido de los frenos es el material de fricción, ya que la excitación de chirrido se produce en la interfaz de fricción, y normalmente se tarda aproximadamente 12 meses en finalizar la selección del material de fricción. Esto ciertamentehace que sea muy difícil predecir a priori la propensión de un sistema de frenos a chillar. Además, a menudo en el diseño de un sistema de frenos, se da prioridad a requisitos tales como el rendimiento de frenado, el costo y la facilidad de fabricación. Lo comúnla práctica de los diferentes componentes de un sistema de frenos fabricado por diferentes proveedores complica aún más las cosas. La gran cantidad de vehículos producidos significa que incluso una baja propensión al chirrido se encontró durante las pruebas iniciales deun sistema de freno puede convertirse en una gran preocupación una vez que un vehículo está en producción debido a un tamaño de población mucho más grande. Las modificaciones hacia el final de la fase de desarrollo tendrán dos riesgos potenciales:

  (1) provoca demoras en la producción y mayores costos tanto para los fabricantes de frenos como para los vehículos y (2) conduce a productos que no están completamente validados con la preocupación potencial de garantía de campo.

La complicación más significativa en la investigación de frenos es la naturaleza fugitiva del chirrido de los frenos; es decir, el chirrido del freno a veces puede ser no repetible. Hay muchas frecuencias de chirridos potenciales (modos inestables) para un sistema de freno. Cadacomponente individual tiene sus propios modos naturales. El número de modos para un rotor dentro del rango de audición humana puede ser de hasta 80. Las frecuencias modales y formas modales del rotor, pinza, anclaje y almohadilla cambiarán una vez que estas partes esténinstalado in situ Durante una aplicación de freno, estas partes se acoplan dinámicamente entre sí, dando como resultado una serie de modos de vibración acoplados, que son diferentes de los modos de vibración libre del componente. La adición de la fricciónlas fuerzas de acoplamiento en la interfaz de fricción dan como resultado la matriz de rigidez para el sistema que contiene términos asimétricos de acoplamiento diagonal. Desde el punto de vista de la estabilidad, este acoplamiento se considera la causa principal del frenochillido. Es posible que un sistema de freno no siempre chille dadas las "mismas" condiciones. Alternativamente, pequeñas variaciones en la temperatura de operación, la presión del freno, la velocidad del rotor o el coeficiente de fricción pueden dar lugar a chirridos diferentespropensiones o frecuencias. Figs. Las Figuras 3 y 4 muestran la ocurrencia porcentual de chirridos de frenos obtenidos en PBR Automotive Pty Ltd utilizando un dinamómetro de ruido tipo fricción Rubore y una matriz de ruido AK para varias presiones y temperaturas de frenadorespectivamente. Se puede ver en la Fig. 3 que no existe una relación simple entre el porcentaje de ocurrencia y la frecuencia del chirrido del freno y la presión de la pastilla de freno. Del mismo modo, la influencia de la temperatura tanto en la ocurrenciay la frecuencia del chirrido del freno es bastante compleja (Fig. 4).

  Debido a las dificultades mencionadas anteriormente en el diseño de un sistema de freno libre de ruido, los esfuerzos para eliminar el chirrido de los frenos han sido en gran medida empíricos, con sistemas de freno problemáticos tratados caso por caso. El éxito de estoslas fibras empíricas dependen del mecanismo responsable de causar el problema de chirrido. El método más fundamental para eliminar el chirrido de los frenos es reducir el coeficiente de fricción del material de la almohadilla [5-7]. Sin embargo, estoobviamente reduce el rendimiento de frenado y no es un método preferible para emplear. El uso de material viscoelástico (material de amortiguación) en la parte posterior de la placa posterior puede ser efectivo cuando existe una vibración significativa de flexión de la plataforma [8,9]. Cambiandoel acoplamiento entre la almohadilla y el rotor modificando la forma de la pastilla de freno también se ha encontrado eficaz [10, 11]. Otras modificaciones geométricas que han tenido éxito incluyen la modificación de la rigidez del calibre [12,13], el calibresoporte de montaje [14,15], método de fijación de la almohadilla [16] y geometría del rotor [17,18].

Fig. 3. Variación de ocurrencias de chirrido de freno con frecuencia y presión de la pastilla de freno.

Fig. 4. Variación de ocurrencias de chirridos de freno con frecuencia y temperatura.

Análisis del chirrido de los frenos

  métodos analíticos

  La investigación más temprana sobre el chirrido de los frenos sugirió que la variación en el coeficiente de fricción con la velocidad de deslizamiento era la causa [19]. No solo hay una diferencia entre el coeficiente de fricción estático y dinámico, sino que erapensaron que la caída en la fricción cinética con una mayor velocidad de deslizamiento podría conducir a una condición de deslizamiento y producir una vibración autoexcitada. Sin embargo, se ha demostrado que el chirrido ocurre en los sistemas de frenos donde el coeficiente de cinéticala fricción es constante [20], y ha llevado al análisis de los aspectos geométricos de un sistema de frenos.

  Spurr propuso un modelo de deslizamiento temprano que describe una hipótesis de acoplamiento geométrico en 1961 [6]. Considere un puntal inclinado en un ángulo θ a una superficie deslizante como se muestra en la figura 5 (a).donde μ es el coeficiente de fricción y L es la carga. Se puede ver que la fuerza de fricción se acercará infinitamente a medida que μ se aproxima a cot θ. Cuando μ = cot θ el puntal 'sprags' o bloqueos y la superficie no puede moverse más. Spurr'sel modelo sprag-slip consistió en un doble voladizo como se muestra en la figura 5 (b). Aquí, el brazo O0P está inclinado en un ángulo θ0 a una superficie móvil. El brazo girará alrededor de un pivote elástico O0 a medida que P se mueve bajo la influencia de la fuerza de fricciónF una vez que se ha alcanzado el ángulo de spragging. Eventualmente, el momento en que se opone la rotación alrededor de O0 es tan grande que O00P reemplaza O0P, y el ángulo de inclinación se reduce a θ00. La energía elástica almacenada en O0 ahora puede ser liberaday el OOP se balancea en la dirección opuesta a la superficie en movimiento. El ciclo ahora puede reiniciarse, dando como resultado un comportamiento oscilatorio.

  Otros extendieron esta idea en un intento de modelar un sistema de frenos de manera más completa. Jarvis y Mills utilizaron un voladizo en voladizo contra un disco giratorio en 1963 [21], Earles y Soar usaron un modelo de disco con pasador en 1971 [22], y North introdujosu modelo de ocho grados de libertad en 1972 [23]. La culminación de estos esfuerzos fue un modelo publicado por Millner en 1978 [24]. Millner modeló el disco, la almohadilla y el calibrador como un 6 grado de libertad, modelo de parámetro agrupado y funcionó bienacuerdo entre squeal predicho y observado. Se utilizó un análisis complejo de autovalores para determinar qué configuraciones serían inestables. Los parámetros investigados incluyeron el coeficiente de fricción de la almohadilla, el módulo de Young del material de la almohadilla,y la masa y la rigidez de la pinza. Se encontró que la propensión al chirrido aumenta abruptamente con el coeficiente de fricción, pero no se produciría un chillido por debajo de un valor de corte de 0.28. Encontró que para un valor de fricción constante, ella aparición de la frecuencia de chirrido y chirrido depende de la rigidez del material de la almohadilla (módulo de Young). La masa y la rigidez de la pinza también mostraban distintas regiones angostas donde la propensión al chirrido era alta.

  Las conclusiones comunes de estos modelos son que el chirrido de los frenos puede ser causado por inestabilidades geométricas inducidas que no requieren variaciones en el coeficiente de fricción. Dado que estos enfoques teóricos de forma cerrada no puedenmodelar adecuadamente las interacciones complejas entre los componentes encontrados en los sistemas prácticos de frenos, su aplicabilidad ha sido limitada. Sin embargo, brindan una buena idea del mecanismo del chirrido de los frenos al resaltar elFenómenos físicos que ocurren cuando un sistema de frenos llama.

  metodos experimentales

  Las frecuencias de un freno chirriante dependen en gran medida de las frecuencias naturales del rotor de freno [17]. En consecuencia, es de fundamental importancia poder determinar los modos de vibración del rotor. No solo será unLa comprensión de los modos de vibración del rotor ayuda a predecir cómo puede vibrar un sistema de frenos, pero también es necesario para desarrollar contramedidas para eliminar el problema. La existencia de modos en el plano además del dobladomodos es una complicación adicional, y hay evidencia de que los modos en el plano pueden ser la causa de algún tipo de chirridos de freno, así como los modos de flexión [18].

Fig. 5. (a) Frotamiento de puntal único contra la superficie móvil; (b) sistema de deslizamiento por deslizamiento.

  Los acelerómetros proporcionan una herramienta efectiva para determinar las formas del modo de vibración y la respuesta forzada de un sistema. La figura 6 (a) muestra una forma de modo de flexión de un rotor de freno típico que se ha determinado experimentalmente.

  Se creó un modelo utilizando el software STAR MODAL que consistía en 384 puntos de cuadrícula sobre la superficie de un rotor de freno. Las mediciones de la respuesta de frecuencia se realizaron con un análisis FFT B & K 2032 usando un acelerómetro uniaxial B & K 4374 y un B & KCabeza de impedancia 8001 La excitación se introdujo con un agitador B & K 4810 accionado por una señal de ruido aleatorio. Desafortunadamente, el montaje de contacto requerido para acelerómetros limita su uso en componentes de freno rotativos. Solo pueden serutilizado para el análisis de componentes de freno estacionarios, lo que hace que sea casi imposible determinar las formas de modo de un rotor de freno chirriante.

  Las técnicas ópticas se han utilizado más recientemente. En particular, la interferometría holográfica láser de pulso doble se ha aplicado con éxito a los sistemas de frenado de chirridos [16,17,25,26]. Esto ha permitido que las formas de modo acoplado de un completosistema de freno que se determinará mientras está chillando. Se produce una imagen holográfica activando un láser a la amplitud máxima y mínima de un objeto que vibra. La diferencia en la longitud del camino óptico, causada por la forma deformada deel objeto que vibra, crea un patrón de franjas de interferencia en una placa holográfica. La forma del modo puede determinarse entonces interpretando el patrón de franjas.

  La ventaja de la interferometría holográfica es que las formas de modo de un rotor de freno se pueden determinar mientras chilla. Incluido en la imagen holográfica puede ser el rotor, así como las almohadillas, soporte de anclaje y pinza. losLa técnica se puede aplicar a un sistema de freno montado en un dinamómetro de freno. Los componentes de la suspensión, como el husillo, el muelle y el amortiguador, también se pueden incluir para simular el rendimiento del sistema de frenos en el automóvil.

  Un ejemplo del valor de la holografía de doble pulso en la investigación de un freno chirriante fue el trabajo realizado por Nishiwaki et al. en 1989 [17]. En el sistema de frenos que se estaba investigando, era evidente que la forma de modo de la vibraciónel rotor de freno estaba estacionario con respecto a la pinza de freno. Por lo tanto, la forma del modo también es estacionaria con respecto al área de excitación. El rotor se modificó cambiando la simetría del rotor alrededor de su eje de rotación. loslas formas de modo del rotor modificado ahora deben girar con respecto al área de excitación, evitando que el rotor vibre en el modo de vibración original.

Fig. 6. (a) Forma de modo de flexión experimental; (b) Forma del modo de flexión FEA.

  Métodos numéricos

  El análisis de elementos finitos (FEA) se ha utilizado en el análisis del chirrido de los frenos. El análisis modal de los componentes del freno es un área donde FEA se puede aplicar fácilmente. La Fig. 6 (b) muestra un modelo de elementos finitos de un rotor de freno. El modelo, que consiste en8700 elementos sólidos Tet92, se desarrolló utilizando un código de elemento finito comercial ANSYS 5.6. Desafortunadamente, el acoplamiento entre los componentes del freno conduce a modos de vibración que difieren de los encontrados para los componentes individuales. Por lo tanto,el verdadero interés entre los investigadores es poder modelar todo un sistema de frenos.

  El aspecto crítico en el modelado de un sistema de frenos completo es el acoplamiento entre los componentes, particularmente la interfaz rotor / pad. La rigidez de contacto en sí se ajusta con resultados experimentales, pero el aspecto más difíciles introducir el acoplamiento de fricción tangencial. Liles incluyó el acoplamiento de fricción entre el rotor y la almohadilla como términos diagonales en la matriz de rigidez y utilizó un análisis complejo de autovalores para evaluar la estabilidad de un sistema de frenos [5].

  Una vez que se desarrolló el modelo, se pudo determinar el efecto de variar parámetros tales como el coeficiente de fricción, la geometría de la almohadilla y la rigidez de la pinza. Dihua y Dongying también utilizaron un enfoque similar para mejorar el diseño de un anclasoporte [14]. El trabajo de estos y otros investigadores ha demostrado que es posible crear modelos que incorporen el acoplamiento de fricción entre el rotor y la almohadilla. Sin embargo, ha habido poca evidencia experimental para verificarla precisión de estos modelos. Pueden ser útiles para estudiar el efecto de la variación de parámetros dentro del sistema de frenos, pero su capacidad para modelar la interfaz de fricción importante es limitada. Como pequeñas variaciones en la temperatura de operación,la presión de frenado, la velocidad del rotor o el coeficiente de fricción pueden dar como resultado diferentes propensiones o frecuencias de chirridos (figuras 3 y 4), una predicción precisa del chirrido de los frenos usando métodos numéricos requiere una determinación precisa depropiedades del material (particularmente para el material de fricción) bajo diferentes condiciones de operación. Además, el modelado adecuado de las condiciones de contorno, especialmente cuando el acoplamiento entre varios componentes es importante, sigue siendo unreto.

Desafíos para el futuro

  En la actualidad, la investigación sobre el chirrido de los frenos se centra en sistemas de frenos o mecanismos de generación específicos. El desafío para el futuro es ser capaz de desarrollar técnicas y pautas generales para eliminar el chirrido de los frenos durante el diseño.escenario. Dada la complejidad de los mecanismos que generan el chirrido de los frenos, parece que las pautas generales están algo lejanas en el futuro. Por el momento, la reducción del ruido chirriante para sistemas de frenos específicos es alcanzable, con laconocimientos adicionales adquiridos en cada caso que se suman a la comprensión general del chirrido de los frenos.

  El análisis teórico de los sistemas de frenos es difícil dada la complejidad de los mecanismos y la falta de un modelo adecuado para la interfaz de fricción que causa un chirrido de los frenos. Sin embargo, esto no debería limitar el desarrollo de simplificaciónmodelos como información valiosa se puede obtener. La comprensión obtenida mediante el estudio de modelos simplificados puede ayudar en la interpretación de los resultados experimentales y el desarrollo de herramientas computacionales mejoradas.

  La aplicación de FEA al chirrido de los frenos parece ofrecer algunas promesas. Los paquetes de software comercial se refinan continuamente con características mejoradas de modelado y las capacidades de acoplamiento por fricción están mejorando. El desarrollo rápidoen sistemas de ingeniería asistida por computadora debería ser factible analizar cada aspecto de un sistema de frenos desde el rendimiento de frenado hasta el análisis vibroacústico, permitiendo así que los frenos sean diseñados con la mínima propensión a chirriar yDesempeño de frenado deseable.

  Los métodos experimentales seguirán desempeñando un papel importante por una serie de razones. En primer lugar, ofrecen herramientas de análisis más efectivas que los métodos numéricos o puramente teóricos. En segundo lugar, el diagnóstico de la causa de los problemas de chirridos de los frenos puedea menudo solo se encuentra por experimentación. Finalmente, la verificación de las soluciones a los problemas de chirridos y la aplicabilidad de los modelos FEA solo pueden lograrse a través de medios experimentales. En definitiva, la futura eliminación del chirrido de los frenosse confirmará a través de los resultados experimentales y la prueba final de los sistemas de frenos.