Grito de freio: uma revisão de literatura

Abstrato

  O guincho de freio, que geralmente cai na faixa de freqüência entre 1 e 16 kHz, tem sido uma das preocupações mais difíceis associadas aos sistemas de freios automotivos desde a sua criação. Isso causa insatisfação do cliente e aumentacustos de garantia. Embora pesquisas substanciais tenham sido realizadas para prever e eliminar o chiado dos freios desde a década de 1930, ainda é difícil prever sua ocorrência. Neste trabalho, as características edificuldades encontradas no combate ao grito dos freios são descritas pela primeira vez. Uma revisão dos métodos analíticos, experimentais e numéricos utilizados para a investigação do guincho dos freios é então apresentada. Alguns dos desafios enfrentados pelo guincho dos freiospesquisa são delineadas. Todos os direitos reservados.

 Introdução

  O guincho dos freios tem sido uma das preocupações mais difíceis associadas aos sistemas de freios automotivos desde o início. Pesquisas sobre previsão e eliminação de guincho de freio foram conduzidas desde a década de 1930 [1,2]. Inicialmente tamborOs freios foram estudados devido à sua ampla utilização nos primeiros sistemas de freios automotivos. No entanto, os sistemas de freio a disco são usados ​​mais extensivamente em veículos modernos e se tornaram o foco da pesquisa de guincho de freio.

  Figs. 1 e 2 mostram um sistema de freio a disco típico com um design de pinça de ‘‘ tipo ’’. Um sistema de freio a disco consiste em um rotor que gira em torno do eixo da roda. O conjunto do compasso é montado no sistema de suspensão do veículoatravés de uma âncora

Fig. 1. Um típico sistema de freio do tipo “fcst”.

Fig. 2. Esquema de um sistema de freio a disco.

suporte. A caixa da pinça pode deslizar no suporte de fixação através dos dois pinos. Pastilhas de freio com material de fricção moldado também podem deslizar no suporte de ancoragem. Um pistão pode deslizar dentro do compartimento da pinça. Quando a pressão hidráulica éaplicado, o pistão é empurrado para a frente para pressionar a almofada interna contra o rotor e, enquanto isso, a caixa é empurrada na direção oposta para pressionar a almofada externa contra o rotor, gerando assim um torque de frenagem.

Como todas as outras aplicações com interface de fricção, o ruído e a vibração são subprodutos inerentes à aplicação do freio. O ruído do freio e a vibração foram classificados de acordo com sua frequência como trepidação, gemido, zumbido, guincho, silenciamentoe escova de arame [3]. O barulho estridente que é particularmente irritante geralmente cai em uma faixa de freqüência de 1 a 16 kHz.

  Grito de freio é gerado pela vibração de um modo de vibração instável do sistema de freio. Nessa condição, o rotor do freio pode atuar como um alto-falante, uma vez que possui grandes superfícies planas que podem facilmente irradiar som. A ocorrência deo ruído do freio é uma preocupação, pois causa um desconforto significativo para os ocupantes do veículo e leva à insatisfação do cliente e ao aumento dos custos de garantia. Infelizmente, o grande corpo de pesquisa sobre o guincho dos freios não conseguiufornecer uma compreensão completa, ou a capacidade de prever a sua ocorrência [1-26]. Isso se deve, em parte, à complexidade dos mecanismos que causam o guincho dos freios e, em parte, à natureza competitiva do setor automotivo.indústria, o que limita a quantidade de pesquisa cooperativa que é publicada na literatura aberta.

  Embora uma revisão abrangente do guincho do freio tenha sido conduzida por Yang e Gibson em 1997 [4], ele foi focado em algum grau nos aspectos materiais de um sistema de freio. O objetivo deste trabalho é delinear as características edificuldades atuais encontradas no combate ao guincho dos freios e revisão dos métodos analíticos, experimentais e numéricos utilizados para a investigação do guincho dos freios.

Características do guincho de freio

  Um dos maiores contribuintes para o guincho do freio é o material de fricção, uma vez que a excitação do guincho ocorre na interface de atrito, e normalmente leva aproximadamente 12 meses para fi nalizar a seleção do material de atrito. Isso certamentetorna muito difícil prever a priori a propensão de um sistema de freio para guinchar. Além disso, muitas vezes, no projeto de um sistema de freio, a prioridade é dada a requisitos como desempenho de frenagem, custo e facilidade de fabricação. O comumprática para os diferentes componentes de um sistema de freio a ser fabricado por diferentes fornecedores complica ainda mais as questões. O grande número de veículos produzidos significa que mesmo uma baixa propensão ao guincho encontrada durante o teste inicial deum sistema de freio pode se tornar uma grande preocupação quando o veículo estiver em produção devido a um tamanho populacional muito maior. Modificações no final da fase de desenvolvimento terão dois riscos potenciais:

  (1) levando a atrasos na produção e aumento de custos tanto para os fabricantes de freios quanto para os fabricantes de veículos e (2) levando a produtos não totalmente validados com potencial preocupação de garantia de campo.

  A complicação mais significativa na pesquisa de freios é a natureza fugitiva do guincho dos freios; isto é, o guincho do freio pode, às vezes, não ser repetido. Existem muitas frequências de guincho potenciais (modos instáveis) para um sistema de freio. Cadacomponente individual tem seus próprios modos naturais. O número de modos para um rotor dentro da faixa de audição humana pode ser de até 80. As freqüências modais e formas modais do rotor, paquímetro, âncora e pad irão mudar uma vez que estas peças sãoinstalado in-situ. Durante uma aplicação de freio, essas peças são acopladas dinamicamente, resultando em uma série de modos de vibração acoplados, que são diferentes dos modos de vibração livre do componente. A adição do atritoas forças de acoplamento na interface de atrito resultam na matriz de rigidez para o sistema contendo termos de acoplamento fora da diagonal assimétricos. Do ponto de vista da estabilidade, este acoplamento é considerado a causa raiz do freioguincho. Um sistema de freio pode nem sempre guinchar, dadas as condições "iguais". Alternativamente, pequenas variações na temperatura de operação, pressão do freio, velocidade do rotor ou coeficiente de atrito podem resultar em guinchos diferentes.propensões ou frequências. Figs. 3 e 4 mostram o percentual de ocorrência de guincho de freio obtido na PBR Automotive Pty Ltd usando um dinamômetro de ruído tipo arraste Rubore e uma matriz de ruído AK para várias pressões e temperaturas de freiorespectivamente. Pode ser visto na figura 3 que não existe uma relação simples entre a ocorrência percentual e a frequência do guincho do freio e a pressão da pastilha de freio. Da mesma forma, a influência da temperatura na ocorrênciae a frequência do guincho do freio é bastante complexa (Fig. 4).

  Devido às dificuldades acima mencionadas na concepção de um sistema de freios isento de ruído, os esforços para eliminar o guincho dos freios foram em grande parte empíricos, com sistemas de freio problemáticos tratados de maneira casuística. O sucesso destesOs fi lmes empíricos dependem do mecanismo responsável por causar o problema do guincho. O método mais fundamental para eliminar o guincho do freio é reduzir o coeficiente de atrito do material da almofada [5–7]. No entanto, issoobviamente reduz o desempenho de frenagem e não é um método preferível de empregar. O uso de material viscoelástico (material de amortecimento) na parte de trás da placa de apoio pode ser eficaz quando há vibração de flexão da pastilha [8,9] significativa. Mudandoo acoplamento entre a almofada e o rotor, modificando a forma da pastilha de freio, também foi considerado eficaz [10,11]. Outras modificações geométricas que foram bem-sucedidas incluem a modificação da rigidez do calibrador [12,13], o compasso de calibresuporte de montagem [14,15], método de fixação do eletrodo [16] e geometria do rotor [17,18].

Fig. 3. Variação de ocorrências de guincho de freio com freqüência e pressão de pastilha de freio.

Fig. 4. Variação de ocorrências de guincho de freio com freqüência e temperatura.

Análise de guincho de freio

  Métodos analíticos

  A primeira pesquisa sobre guincho de freio sugeriu que a variação no coeficiente de atrito com velocidade de deslizamento foi a causa [19]. Não só existe uma diferença entre o coeficiente de atrito estático e dinâmico, mas foipensava que a queda no atrito cinético com o aumento da velocidade de deslizamento poderia levar a uma condição de deslizamento e produzir uma vibração auto-excitada. No entanto, foi demonstrado que o guincho ocorre em sistemas de freio onde o coeficiente de cinéticao atrito é constante [20] e levou à análise dos aspectos geométricos de um sistema de freio.

  Spurr propôs um modelo de escorregamento inicial que descreve uma hipótese de acoplamento geométrico em 1961 [6]. Considere um suporte inclinado em um ângulo θ para uma superfície deslizante como mostrado na Fig. 5 (a).onde µ é o coeficiente de atrito e L é a carga. Pode ser visto que a força de atrito se aproximará da in fi nidade quando µ se aproxima do cot θ. Quando µ = cot θ, o "sprags" do strut ou bloqueios e a superfície não podem se mover mais. Spurrmodelo sprag-slip consistiu de um duplo cantilever, como mostrado na Fig. 5 (b). Aqui, o braço O0P é inclinado em um ângulo θ0 para uma superfície móvel. O braço girará em torno de um pivô elástico O0 à medida que P se move sob a influência da força de atritoF uma vez que o ângulo de spragging foi atingido. Eventualmente o momento oposto à rotação sobre O0 se torna tão grande que O00P substitui O0P e o ângulo de inclinação é reduzido para θ00. A energia elástica armazenada em O0 agora pode ser liberadae o O0P oscila na direção oposta à superfície móvel. O ciclo pode agora recomeçar resultando em comportamento oscilatório.

  Outros estenderam essa ideia na tentativa de modelar um sistema de freio mais completamente. Jarvis e Mills usaram um cantilever esfregando contra um disco rotativo em 1963 [21], Earles e Soar usaram um modelo de pino-disco em 1971 [22], e o Norte introduziuseu modelo de oito graus de liberdade em 1972 [23]. O ponto culminante desses esforços foi um modelo publicado por Millner em 1978 [24]. Millner modelou o disco, o pad e o compasso de calibre como um grau de liberdade de 6, agrupou o modelo de parâmetro e achou bomconcordância entre guincho predito e observado. Análise complexa de autovalor foi usada para determinar quais configurações seriam instáveis. Os parâmetros investigados incluíram o coeficiente de atrito da almofada, o módulo de Young do material da almofada,e a massa e rigidez do paquímetro. Verificou-se que a propensão ao chiado aumentava acentuadamente com o coeficiente de atrito, mas o chiado não ocorreria abaixo de um valor de corte de 0,28. Ele descobriu que, para um valor de fricção constante, oA ocorrência de frequência de guincho e guincho depende da rigidez do material do coxim (módulo de Young). A massa e a rigidez do paquímetro também exibiam regiões estreitas e distintas, onde a propensão ao guincho era alta.

  As conclusões comuns desses modelos são que o guincho de freio pode ser causado por instabilidades geometricamente induzidas que não exigem variações no coeficiente de atrito. Como essas abordagens teóricas de forma fechada nãomodelar adequadamente as complexas interações entre os componentes encontrados em sistemas de freios práticos, sua aplicabilidade tem sido limitada. No entanto, eles fornecem uma boa visão sobre o mecanismo de guincho de freio, destacando ofenômenos físicos que ocorrem quando um sistema de freio se aquece.

  Métodos experimentais

  As freqüências de um freio guinchando são altamente dependentes das freqüências naturais do rotor de freio [17]. Consequentemente, é de importância fundamental poder determinar os modos de vibração do rotor. Não só umA compreensão dos modos de vibração do rotor ajuda a prever como um sistema de freio pode vibrar, mas também é necessário desenvolver contramedidas para eliminar o problema. A existência de modos no plano além da flexãomodos é uma complicação adicional, e há evidências de que os modos no plano podem ser a causa de algum tipo de guincho de freio, bem como os modos de flexão [18].

Fig. 5. (a) Escora simples esfregando contra a superfície móvel; b) sistema de escorificação.

Os acelerômetros fornecem uma ferramenta eficaz para determinar as formas do modo de vibração e a resposta forçada de um sistema. A Fig. 6 (a) mostra uma forma de modo de flexão de um rotor de freio típico que foi determinado experimentalmente.

  Um modelo foi criado usando o software STAR MODAL, que consistia em 384 pontos de grade sobre a superfície de um rotor de freio. As medições de resposta em frequência foram feitas com uma análise B & K 2032 FFT utilizando um acelerómetro uniaxial B & K 4374 e um B & K8001 cabeça de impedância. A excitação foi introduzida com um agitador B & K 4810 impulsionado por um sinal de ruído aleatório. Infelizmente, a montagem de contato necessária para acelerômetros limita seu uso em componentes de freio giratórios. Eles só podem serusado para análise de componentes estacionários de freio, tornando quase impossível determinar as formas de modo de um rotor de freio guinchando.

  Técnicas ópticas foram usadas mais recentemente. Em particular, a interferometria holográfica por laser de pulso duplo tem sido aplicada com sucesso a sistemas de freios em latência [16,17,25,26]. Isso permitiu que as formas do modo acoplado de umsistema de freio a ser determinado enquanto estiver guinchando. Uma imagem holográfica é produzida disparando um laser na amplitude máxima e mínima de um objeto que vibra. A diferença no comprimento do caminho óptico, causada pela forma deformadao objeto vibratório cria um padrão de franja de interferência em uma placa holográfica. A forma do modo pode então ser determinada interpretando o padrão de franja.

  A vantagem da interferometria holográfica é que as formas de modo de um rotor de freio podem ser determinadas enquanto ele estiver ganindo. Incluído na imagem holográfica pode ser o rotor, bem como as almofadas, suporte de ancoragem e paquímetro. otécnica pode ser aplicada a um sistema de freio montado em um dinamômetro de freio. Componentes de suspensão, como o fuso, a mola e o amortecedor, também podem ser incluídos para simular o desempenho do sistema de freios no carro.

  Um exemplo do valor da holografia de duplo pulso na investigação de um freio agudo foi o trabalho de Nishiwaki et al. em 1989 [17]. No sistema de freio que estava sendo investigado, ficou aparente que a forma da vibraçãorotor de freio foi estacionário em relação à pinça de freio. Portanto, a forma do modo também é estacionária em relação à área de excitação. O rotor foi modificado alterando a simetria do rotor em torno do seu eixo de rotação. oas formas de modo do rotor modificado agora devem girar em relação à área de excitação, impedindo que o rotor vibre no modo de vibração original.

Fig. 6. (a) Forma experimental do modo de flexão; b) Forma do modo de flexão FEA.

  Métodos numéricos

  A análise de elementos finitos (FEA) tem sido usada na análise do guincho dos freios. A análise modal dos componentes do freio é uma área onde a FEA pode ser facilmente aplicada. A Fig. 6 (b) mostra um modelo de elemento finito de um rotor de freio. O modelo, consistindo deOs elementos sólidos 8700 Tet92 foram desenvolvidos usando um código comercial de elemento finito ANSYS 5.6. Infelizmente, o acoplamento entre os componentes do freio leva a modos de vibração que diferem daqueles encontrados para os componentes individuais. Assim sendo,O verdadeiro interesse dos pesquisadores é poder modelar todo um sistema de freios.

  O aspecto crítico na modelagem de um sistema de freio completo é o acoplamento entre os componentes, particularmente a interface do rotor / pad. A rigidez de contato é ajustada usando resultados experimentais, mas o aspecto mais difícilé introduzir o acoplamento de fricção tangencial. Liles incluiu o acoplamento de fricção entre o rotor e a almofada como fora dos termos diagonais na matriz de rigidez e usou uma análise complexa de autovalor para avaliar a estabilidade de um sistema de freio [5].

  Uma vez que o modelo foi desenvolvido, o efeito de vários parâmetros, como o coeficiente de atrito, a geometria da pastilha e a rigidez da pinça, pode ser determinado. Dihua e Dongying também usaram uma abordagem semelhante para melhorar o design de uma âncorasuporte [14]. O trabalho desses e de outros pesquisadores mostrou que é possível criar modelos que incorporam o acoplamento de fricção entre o rotor e o bloco. No entanto, tem havido pouca evidência experimental para verificara precisão desses modelos. Eles podem ser úteis para estudar o efeito de vários parâmetros dentro do sistema de freio, mas sua capacidade de modelar a importante interface de atrito é limitada. Como pequenas variações na temperatura de operação,a pressão do freio, a velocidade do rotor ou o coeficiente de atrito pode resultar em diferentes propensões ou freqüências de guincho (Figs. 3 e 4), uma previsão precisa do guincho do freio usando métodos numéricos requer uma determinação precisa depropriedades do material (particularmente para o material de atrito) sob diferentes condições de operação. Além disso, a modelagem adequada das condições de contorno, especialmente onde o acoplamento entre vários componentes é importante, permanecedesafio.

Desafios para o futuro

  Atualmente, a pesquisa sobre guincho de freio é focada em sistemas de freio específicos ou mecanismos de geração. O desafio para o futuro é ser capaz de desenvolver técnicas e diretrizes gerais para eliminar o ranger dos freios durante o projetopalco. Dada a complexidade dos mecanismos que geram guincho de freio, parece que as diretrizes gerais estão um pouco fora no futuro. Por enquanto, a redução do ruído de guincho para sistemas de freio específicos é alcançável, com aconhecimento adicional adquirido em cada caso, contribuindo para o entendimento geral do guincho dos freios.

  A análise teórica dos sistemas de freio é difícil, dada a complexidade dos mecanismos e a falta de um modelo adequado para a interface de fricção que causa o guincho dos freios. No entanto, isso não deve limitar o desenvolvimento demodelos como informações valiosas podem ser obtidas. O entendimento obtido pelo estudo de modelos simplificados pode auxiliar na interpretação de resultados experimentais e no desenvolvimento de ferramentas computacionais aprimoradas.

  A aplicação da FEA no freio de guincho parece oferecer alguma promessa. Pacotes de software comercial estão sendo continuamente re fi nados com recursos de modelagem aprimorados e os recursos de acoplamento de fricção estão melhorando. O rápido desenvolvimentoem sistemas de engenharia auxiliados por computador, deve ser possível analisar todos os aspectos de um sistema de freio, desde o desempenho da frenagem até a análise acústica vibracional, permitindo assim que os freios sejam projetados com propensão mínima para guinchar edesempenho de travagem desejável.

  Os métodos experimentais ainda terão um papel importante por vários motivos. Em primeiro lugar, eles oferecem ferramentas de análise mais eficazes do que métodos numéricos ou puramente teóricos. Em segundo lugar, o diagnóstico da causa dos problemas de guincho dos freios podemuitas vezes só pode ser encontrado por experimentação. Finalmente, a verificação de soluções para problemas de guincho e a aplicabilidade de modelos de FEA, só podem ser alcançados através de meios experimentais. Em última análise, a eliminação futura de guincho de freioSerão confirmados os resultados experimentais e os testes finais dos sistemas de freio.