Berichte aus dem µ-Club 2020

Bremsen müssen dicht sein! Dies funktioniert bei hydraulischen Bremssystemen nur mittels Dichtungen aus elastomeren Werkstoffen. Die Komplexität der Anforderungen und Funktionen wird oft unterschätzt.

Diese Arbeit zeigt die Relevanz von Gaslöslichkeit in Bremsflüssigkeit. Da diese physikalische Eigenschaft für Bremsflüssigkeiten bisher noch nicht zuverlässig untersucht wurde, ist ein wichtiger Teil der Arbeit die Entwicklung eines Prüfstandes. Mithilfe dieses Prüfstandes wurden Messungen der Luftlöslichkeit in Bremsflüssigkeit durchgeführt und hier präsentiert. Darin zeigt sich unter anderem eine Zunahme der Löslichkeit mit der Temperatur und eine starke Geschwindigkeitsabhängigkeit des Löslichkeitsprozesses von der Temperatur. Praktische Untersuchungen an einem Motorradbremssystem zeigen Anwendungsfälle, in denen die Luftlöslichkeit zu Ausgasungen führt. Diese Luft-Ausgasungen verursachen eine „weiche Bremse“ und sind damit sicherheitskritische Fehlerursachen. Daraus wird deutlich wie wichtig die Kenntnis der Luftlöslichkeit und deren Einflussparameter für die Entwicklung von hydraulischen Bremssystemen ist.

Das Konzept einer elektromechanischen Trommelbremse zeigt mit seinen Eigenschaften ein großes Potenzial auf, eine passende Lösung für die neuartigen Anforderungen durch automatisiertes Fahren und Elektromobilität darzustellen. Dabei bildet das Regelkonzept eine zentrale Herausforderung in der Entwicklung von elektromechanischen Bremsen. Wirkungsgradschwankungen des elektromechanischen Aktors und die Reibwertsensitivität von Trommelbremsen führen zu Bremsmomentschwankungen, die sich durch ein unerwünschtes Schiefziehen des Fahrzeugs bemerkbar machen. Eine mögliche Abhilfemaßnahme stellt eine Bremsmomentregelung dar. Eine bremsenintegrierte serientaugliche Bremsmomenterfassung ist dabei nicht bekannt. Eine mögliche Lösungsvariante wird in diesem Paper vorgestellt.

Auf der Grundlage eines analytischen Modells werden die Kräfte und Momente im Inneren der Trommelbremse analysiert. Als Ergebnis wird ein Zusammenhang zwischen den Kräften im Abstützlager und dem Bremsmoment identifiziert, der nahezu unabhängig vom Reibwert bzw. von Reibwertschwankungen ist. Mit einer prototypischen Umsetzung des Messverfahrens wird die im theoretischen Teil aufgestellte Untersuchungshypothese analysiert. Die Messergebnisse und Erkenntnisse werden vorgestellt, bewertet und diskutiert.

Bremsenknarzen ist ein niederfrequentes Bremsgeräusch und -schwingphänomen, welches durch nichtlineare Eigenschaften des Reibkontakts der Bremse selbsterregt entsteht. Wiederholte Haft-Gleit (Stick-Slip) Übergänge im Reibkontakt zwischen Bremsbelägen und Scheibe (bzw. Trommel) führen dabei zu intensiven Schwingungen von Achs- und Bremssystem. Diese Schwingungen und der daraus resultierende Luftschall werden als störendes Bremsenknarzen wahrgenommen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Einflüsse der verschiedenen Achs- und Bremsbauteile anhand der auftretenden Schwingmuster während Bremsenknarzen analysiert und diskutiert. Experimentelle Methoden wie Matrixtests, Betriebsschwingungsanalysen oder High-Speed-Videoaufnahmen sowie simulative Methoden wie komplexe Eigenwertanalysen und direkte Zeitintegrationsmethoden kommen dafür zum Einsatz. Die Untersuchungen, durchgeführt an zwei verschiedenen Achssetups, liefern ein umfassendes Bild der Mechanismen während verschiedener Knarzphänomene: Längs- und Rotationsbewegungen der Achse dominieren das Bewegungsverhalten. Abschließend liefert eine Bewertung der Einflüsse der Viertelfahrzeug-Komponenten eine wertvolle Hilfe bei der Bekämpfung von Knarzproblemen. Sowohl in der Modellbildung als auch für das Verständnis und die Durchführung von experimentellen Untersuchungen können die vorgestellten Resultate für eine Verbesserung des Geräuschkomforts und damit auch für die Qualität eines Automobils genutzt werden.

Moderne Personenkraftwagen verwenden Scheibenbremssysteme, um unter allen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs eine ordnungsgemäße Bremskraft sicherzustellen. Ein Reibungspartner, die Bremsscheibe, besteht üblicherweise aus Grauguss. Dies bedeutet eine sehr gute thermomechanische Beständigkeit, ein bequemes tribologisches Verhalten, eine einfache Bearbeitung und sehr vernünftige Kostenstrukturen.

Brakes must be tight! Hydraulic brake systems, can just be saeled using seals made of elastomeric materials. The complexity of the requirements and functions is often underestimated.

This work shows the relevance of gas solubility in brake fluid. Since this physical property has not yet been reliably investigated for brake fluids, an important part of this work is the development of a test rig. Using this test rig, measurements of air solubility in brake fluid were performed and presented. This shows, among other things, an increase in solubility with temperature and the strong dependence of the dynamic solubility process on temperature.

Practical tests on a motorcycle brake system show applications where the air solubility leads to degassing. This air desorption causes a “spongy brake” and is therefore a “safety critical failure cause”. This shows how important knowledge of air solubility and its influencing parameters is for the development of hydraulic brake systems.

The concept of an electromechanical drum brake shows with its properties high potential for providing a suitable solution for the new requirements arising of automated driving and electromobility. One of the main challenges in the development of electromechanical brakes is the controller concept. Fluctuations in the efficiency of the electromechanical actuator and the sensitivity of drum brakes to the friction coefficient lead to variations of the brake torque, which can lead to a yaw failure of the vehicle.

A possible remedial measure is a closed loop brake torque controller. An integrated brake torque sensor for series production is not known. A possible solution is presented in this paper.

Based on an analytical model the internal forces and torques of the drum brake are analyzed, with the result of a strong correlation between the forces of the abutment and the brake torque, which is almost independent of the friction coefficient.

With a prototypical implementation of the measurement method, the research hypothesis coming from the theoretical investigation is analyzed. The measurement results and findings are presented, evaluated and discussed.

Creep groan is a low-frequency brake noise and vibration phenomenon which is self-excited by nonlinear properties of the friction contact of the brake. Repeated stick-slip transitions in the friction contact between brake pads and disk (or drum) lead to severe vibrations of axle and brake system. These vibrations and the resulting airborne noise are perceived as disturbing creep groan. In this article, the influences of the different axle and brake components are analyzed and discussed on the basis of the vibration patterns occurring during creep groan. Experimental methods such as matrix tests, operational vibration analyses or high-speed video recordings as well as simulative methods such as complex eigenvalue analyses and direct time integration methods are used for this purpose. The investigations, carried out on two different axle setups, provide a comprehensive picture of the mechanisms during various groan phenomena: longitudinal and rotational movements of the axle dominate creep groan displacements. Finally, an evaluation of the influences of the half-axle components provides valuable recommendations for tackling creep groan problems. The presented results can be used both in model building and for understanding and conducting experimental investigations to improve the noise comfort and thus the quality of an automobile.

Modern passenger cars use disc brake systems to ensure proper stopping power under all operating conditions of the vehicle. One friction partner, the brake disc, is usually made of gray-cast iron. This means very good thermo-mechanical resistance, convenient tribological behavior, easy machining and very reasonable cost structures.