Karayolu taşıtları fren sistemlerinde sürtünme kaynaklı yüksek frekanslı gürültü ve titreşim oluşum mekanizmasının deneysel verilerle matematiksel olarak modellenmesi
Mathematical modelling of friction induced high frequency noise and vibration mechanism in road vehicle brake systems through experimental data
Yazar: ÖZGÜN BALCI
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Disk fren = Disk brake ; Fren = Brake ; Matematiksel modeller = Mathematical models ; Yüksek frekans = High frequency

Özet:
Sürtünme kaynaklı fren gürültüsü, özellikle yüksek frekanslarda meydana geldiğinde sürücü ve yolcu konforunu olumsuz etkilemekte, kullanıcı şikayetlerine yol açmakta, dolayısıyla sektör ve araştırmacılar tarafından yoğun olarak araştırılmaktadır. Fakat, konuyla ilgili çok sayıda çalışma olmasına ve oluşum mekanizmasını açıklamak için öne sürülmüş farklı teoriler güncelliğini korumasına rağmen, problemin tüm yönleriyle açıklanmamış olduğu görüşü hakimdir. Bu çalışmada da elde edilen deneysel veriler ve kurulan matematiksel model yardımıyla, yüksek frekanslı fren gürültüsü oluşum mekanizmasının anlaşılmasına katkı sağlanması amaçlanmıştır. Öncelikle fren diski, kaliper, braket ve balatadan oluşan sistem elemanlarının, titreşim açısından karakteristiklerinin belirlenmesi amacıyla, modal testleri gerçekleştirilmiştir. Ardından, anlaşılması hedeflenen gürültü problemi açısından kritik öneme sahip, sürtünen elemanlar olan fren disk ve balatası, sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiştir. Sonrasında bu iki nümerik model, modal test sonuçları ile yüksek uyum gösterecek şekilde, malzeme özellik parametrelerinin tespit edilebilmesiyle güncellenmiştir. Bu güncelleştirmeler, deney tasarımı, lineer regresyon ve optimizasyon yöntemleri içeren, oldukça hızlı fakat düşük hata ile sonuç veren bir süreç geliştirilerek gerçekleştirilmiştir. Böylece disk ve balataya ait gerçekçi nümerik modeller elde edilmiş ve modal testlerde elde edilemeyen mod şekli ve frekanslarına ulaşılmıştır. Sonraki kısımda fren testleri, laboratuvar ortamında kurulan ve disk hızının, elektrik motoru ve kontrolcüsüyle kontrol edilebildiği bir test düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Çok sayıda test, farklı hız, fren basıncı ve sıcaklık şartları altında gerçekleştirilmiş, bu parametrelerin yanında, ses basıncı ve kaliper üzerinden ivme verileri toplanmıştır. Sonrasında, deneylerde gözlemlenen gürültü oluşumunu açıklamaya yönelik, balata ve disk arasındaki dinamiklere odaklanan, 3 serbestlik dereceli, lineer olmayan bir matematiksel model kurulmuştur. Modelin lineer olmayan dinamikleri, hareket denklemleri ve harmonik denge yöntemi kullanılarak incelenmiş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, kurulan matematiksel model ve deney sonuçları birbiriyle uyum göstermiştir. Fren gürültüsü frekansının ve dinamiğinin, fren basıncı dolayısıyla değişen temas yüzeyi sertliğinden etkilendiği, ayrıca frenleme sırasında meydana gelen gürültü oluşumunun kaliper ve disk doğal frekansları ile yakından bağlantılı olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır.

Abstract:
Friction induced brake squeal, which occurs in high frequencies, is frequently studied by automotive industry and researchers due to its negative effect on comfort of drivers and pedestrians. However, the problem is not explained comprehensively despite the high amount of researches, and several proposed theories about mechanisms of the problem. In this study, it is aimed to make contribution to the relevant literature by obtained experimental data and built mathematical model on friction induced brake squeal. Firstly, experimental modal analysis of the brake disc, calliper, bracket and pads, are performed. Afterwards, disc and pads, which have critical roles in squeal mechanism, are numerically modelled by using finite element methods. Then, model updating is performed by the inverse identification of material properties to reach good correlation between experimental and computational frequencies. It is achieved by developing a fast and accurate procedure which mainly consists of design of experiments, linear regression and optimisation techniques. Thus, in addition to accurate numerical models, undetected mode shapes and frequencies are obtained by this way. Following section includes brake squeal tests on a laboratory set-up driven by an electric motor. High amount of experiments are conducted by altering disc velocity, brake pressure and temperature, and by acquiring sound pressure and acceleration data. Lastly, a 3-DoF nonlinear mathematical model, which focuses on the interactions between disc and pad, is developed to explain squeal induction mechanisms that observed in experiments. Nonlinear dynamics of the model are investigated and compared with the experimental results by using equations of motions and harmonic balance method. As result, experiments and mathematical model shows good agreement. It is concluded that the squeal dynamics and frequencies are depended on changing contact stiffness due to changing brake pressure, and squeal induction during braking is closely related to natural frequencies of disc and calliper.