A interação entre pastilha e disco na geração de ruído induzido pelo atrito em freios automotivos

Abstract

Esta tese estuda a emissão de ruído de alta frequência em freios automotivos, conhecida como squeal. Para tanto, uma série de ensaios foram executados em sistemas de freio em um dinamômetro inercial. Foram colocados acelerômetros na pastilha e no caliper em três direções ortogonais, e foram testados dois diferentes tipos de sistemas de freio comerciais. Os ensaios revelaram que, durante os períodos silenciosos, o movimento vibratório da pastilha acontece tanto na direção tangencial radial quanto na direção radial no plano definido pelo disco, além da direção axial. Estas vibrações ocorrem de modo independente, não mostrando acoplamento entre os movimentos. Durante os períodos de emissão sonora intensa, os valores de vibração aumentam significativamente e ocorre o acoplamento dos movimentos nas direções tangencial e radial, que passam a apresentar sincronismo de fase e de frequência. O movimento da pastilha na direção radial é explicado pelos modos de vibração do disco, e pastilha e disco são tratados como dois osciladores fracamente acoplados. Para o tratamento de osciladores, utiliza-se o modelo de Kuramoto. O sincronismo, neste modelo, ocorre devido ao acoplamento entre os osciladores e devido à proximidade das frequências naturais de pastilha e disco. A aplicação do modelo nos sistemas ensaiados mostrou boa aderência aos dados experimentais. Finalmente, é proposta a utilização de um coeficiente adimensional de maneira a incluir no estudo dinâmico do sistema variáveis puramente tribológicas.

This paper studies friction induced high frequency noise in automotive brakes, known as squeal. Aiming this purpose, a series of experiments were performed using brake systems in an inertial dynamometer. Accelerometers were installed on pad and caliper, measuring in three orthogonal directions, in two different commercial brake systems. The tests showed that, during the silent runs, pad vibration happens in tangential and radial directions, besides the axial direction, considering the coordinate reference frame on the plane defined by the brake disc. These vibrations happen in an independent fashion, indicating no coupling between motions in different directions. During the squeal periods, however, vibration amplitudes increase sharply and phase and frequency synchronization between tangential and radial vibrations is observed, indicating vibration coupling. Pad movement in radial direction is caused by disc in-phase vibration mode. Pad and disc are treated as two harmonic oscillators according to Kuramoto model. In this model, synchronization is caused by weak coupling between pad and disc natural frequencies, due to frequency proximity. A numerical simulation of Kuramoto model was able to emulate the experimental data. Finally, a new non-dimensional coefficient is proposed in order to include in this dynamic model the influence of pure tribological effects.