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Incidence and transfer behaviors of high-order hot judder in passenger cars

Xu, Xinfu :
Incidence and transfer behaviors of high-order hot judder in passenger cars.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Incidence and transfer behaviors of high-order hot judder in passenger cars
Language: English
Abstract:

As one of the brake-induced noises and vibrations, hot judder is forced vibration, which is caused by unevenness of the brake disc due to the thermal mechanical interactions in wheel brakes. Brake disc unevenness is normally described and evaluated as the Disc Thickness Variation (DTV) and the disc’ Lateral Run-Out (LRO). DTV and LRO gener-ate Brake Pressure Variation (BPV) and Brake Torque Variation (BTV) in wheel brakes, which are transmitted to the driver and perceived by the driver as the brake pedal pulsa-tion, the steering wheel oscillation, the car body vibrations, and low-frequency drone noises inside a vehicle.

Hot judder is characterized by hot spots on the disc surfaces. The frequency of hot judder is dependent on the wheel rotational speed, showing order behaviors. The num-ber of hot spots generally corresponds to the dominant order of hot judder. In the last decades, most of the hot judder tests have been carried out with brake dynamometers, and high numbers (typically around 10) of hot spots were found in the majority of the tests. The generation and development mechanisms of the high dominant order have been almost the exclusive focus of current hot judder researches. However, the influ-ences of the vibrations and noises (with higher frequencies compared with the low-order cold judder) caused by high-order hot judder on the driver’s subjective perception have been still not clarified. That is to say, it is still unknown in which form and under which conditions, the high-order hot judder can be transmitted to and perceived by the driver, and thus causing customer complaints.

A top-down approach is used in order to investigate the influences of high-order judder on driver’s perception with respect to two aspects: the incidence of high-order hot jud-der in vehicle tests and the drivers’ perception of high-order hot judder. The first aspect is mainly investigated by studying the transferability of dynamometer tests to vehicle tests and by identifying the incidence of high-order hot judder in production brakes. Specifically, identical brakes from one front brake and one rear brake are separately tested with a brake dynamometer and through vehicle tests by means of road tests and chassis dynamometer tests, and all brakes of four production passengers are identified with accelerometers attached on the brake caliper and the caliper bracket.

The perception of high-order hot judder is chiefly studied by investigating its transfer behaviors. Global transfer functions from BPV/BTV to the selected driver interface quantities (brake pedal pulsation, steering wheel oscillation, seat track vibrations, and vehicle interior drone noise) are defined, which establish the links between the hot judder intensity in the wheel brake and the intensity at the driver interface. In order to identify the transfer functions with a high signal-noise-ratio and better reproducibility, a novel testing method is adopted: vehicle tests with brake discs that are artificially modi-fied with the desired surface shapes simulating the high-order DTV/LRO. Altogether three vehicles with seven different modified discs are tested. Two critical levels of drone noise (60 and 80 dB(A)) are selected according to the general vehicle total noise level and the human’s perception characteristics of sound. The perception threshold values of the driver interface vibrations are obtained through regression analysis between their subjective ratings and objective measurements. Based on the critical drone noise levels and the threshold values of vibrations, as well as the global transfer functions, threshold values of BPV and BTV for perceiving the high-order judder are computed.

Concerning the incidence of high-order judder, both the dominant order and the thermal increases of BTV and BPV for the dominant order showed great discrepancies in differ-ent test types (e.g. brake dynamometer or vehicle, drag braking application with con-stant velocity and constant pressure/torque or stop braking application with decreasing velocity and constant deceleration/pressure). Hot judder behaviors in the brake dyna-mometer test were not transferable to the vehicle tests. Besides, no evident high-order hot judder has been identified in all the brakes of the four passenger cars. Generally, hot judder seems to be more likely to be excited at the brake dynamometer than in the vehi-cles. Therefore, brake dynamometer test is still appropriate for detecting hot judder in the early phase of brake development, and thus preventing its occurrence in the vehicle.

Regarding the driver’s perception, the drone noise is the most probable reason leading to customer complaints, since higher than 100 Hz less than 10 Nm BTV is required to perceive the drone noise and 50 Nm BTV can already result in unacceptable drone noise. The driver is less sensitive to the vibrations caused by high-order judder. Roughly at least 20 Nm BTV or 2.5 bar BPV is needed for perceiving the vibrations, and the perception is most possibly due to the steering wheel oscillation or the vertical vehicle vibration. Moreover, some resonances in the transfer paths play a significant role in the high-order judder transmission. Although the investigations in this work are limited to three vehicles, the practical significance of high-order hot judder on the driver’s percep-tion is revealed for the first time. With these results, the impact of the measured BTV and BPV of hot judder, e.g. in the brake dynamometer tests, can be assessed.

Combining these results, the most effective and efficient way to mitigate the high-order hot judder would be reducing its occurrences in the wheel brakes and diminishing the prominent resonances in the transfer paths.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Als eine von Bremse-induzierten Geräuschen und Vibrationen, Heißrubeln ist erzwungene Vibration, die von der Unebenheit der Bremsscheibe verursacht wird. Die Unebenheit der Bremsscheibe ist auf die thermal-mechanische Wechselwirkungen in der Radbremse zurückzuführen, und es wird normalweise als Bremsdickenschwankungen (engl. Disc Thickness Variation, DTV) und Scheiben-Seitenschlag (engl. Lateral Run-Out, LRO) beschrieben und ausgewertet. In der Radbremse führen DTV und LRO zu Bremsdruckschwankungen (engl. Brake Pressure Variation, BPV) und Bremsmomentschwankungen (engl. Brake Toqure Variation, BTV), die weiterhin zu den Fahrer übertragen und von dem Fahrer wahrgenommen werden. In den letzten Jahrzehnten wurden die meiste Versuche von Heißrubbeln auf den Schwungmassenprüfstand (SMP) durchgeführt und wurde hohe Anzahl von Hotspots (typischerweise rund um 10) in den meisten Fällen detektiert. Die Entstehungs- und Entwicklungsmechanismen von der hohen dominanten Ordnung sind fast der ausschließliche Fokus von aktuellen Forschungen über Heißrubbeln. Die Auswirkungen von den Vibrationen und den Geräuschen, die von hohen-Ordnungen Heißrubbeln hervorgerufen wird, auf die subjektive Wahrnehmung des Fahrers sind noch nicht geklärt. Eine Top-down-Methode wurde eingesetzt, um die Auswirkungen von hohen-Ordnungen Heißrubbeln auf die Wahrnehmung des Fahrers zu untersuchen. Zwei Aspekte darüber werden betrachtet: das Auftreten von hohen-Ordnungen Heißrubbeln im Fahrversuch und die subjektive Wahrnehmung des Fahrers von hohen-Ordnungen Heißrubbeln. Bei dem ersten Aspekt werden hauptsächlich die Übertragbarkeit vom SMP-Versuch zum Fahrzeugversuch, sowie die Entstehung des hohen-Ordnungen Heißrubbelns in den Radbremsen des Serienfahrzeugs untersucht. Dabei werden identische Radbremsen von einer Vorderachse und einer Hinterachse separat am SMP und durch Fahrversuch sowie Fahrzeugversuch am Rollenprüfstand getestet. Bei der Wahrnehmung von hohen-Ordnungen Heißrubbeln werden hauptsächlich die Übertragungsverhaltens ermittelt. Es wird die globale Übertragungsfunktionen von BPV oder BTV zu den ausgewählten Größen an der Fahrerschnittstelle, z.B. die Bremspedalpulsation, die Lenkradschwankung, die Vibrationen von Sitzschiene, sowie das Brummgeräusch im Fahrzeuginnenraum definiert, damit wird die Stärke von Heißrubbeln an der Fahrerschnittstelle mit der Stärke an der Radbremse verknüpft. Um die Übertragungsfunktionen mit hohen Signal-Rausch-Verhältnis und besserer Reproduzierbarkeit zu identifizieren wird eine neuartige Testmethode angenommen. Dies ist Fahrversuch mit solchen Bremsscheiben deren Oberflächen mit erwünschten Profilen, die die hohen-Ordnungen DTV oder LRO nachahmen, bearbeitet sind. Insgesamt werden drei Fahrzeuge mit sieben verschiedenen bearbeiteten Bremsscheiben getestet. Auf der Basis von den ausgewählten kritischen Pegeln, den identifizierten Wahrnehmungsschwellen der Schwingungen, und den globalen Übertragungsfunktionen werden die Schwellenwerte von BPV und BTV zur Wahrnehmung des hohen-Ordnungen Rubbelns ausgerechnet. Beide die dominanten Ordnungen und die thermische Wachstums von BPV und BTV der dominanten Ordnung zeigten große Abweichungen zwischen verschiedenen Testtypen. Die Verhaltens von Heißrubbeln am SMP waren zu den Fahrversuchen grundsätzlich nicht übertragbar. Außerdem wurde ersichtliches hohen-Ordnungen Heißrubbeln in keiner Radbremse von den vier Serienfahrzeugen identifiziert. Es scheint, dass Heißrubbeln im Allgemeinen wahrscheinlicher am SMP als im Fahrzeug erregt wird. Daher ist SMP immer noch hilfreich dabei, Heißrubbeln in der frühen Phase von Bremsenentwicklung zu detektieren, somit deren Entstehung im Fahrzeug zu verhindern. In Bezug auf die Wahrnehmung des Fahrers ist das Brummgeräusch der möglichste Grund, zu Kundenbeanstandung zu führen. Im Frequenzbereich höher als 100 Hz wird nur weniger als 10 Nm BTV benötigt um das Brummgeräusch wahrzunehmen, und kann 50 Nm BTV schon unakzeptables Brummgeräusch verursachen. Der Fahrer ist weniger empfindlich zu den von hohen-Ordnungen Heißrubbeln erregten Vibrationen. Minderst 20 Nm BTV oder 2,5 bar BPV ist nötig, um die Vibrationen wahrzunehmen, und die Wahrnehmungen sind am wahrscheinlichsten auf die Lenkradschwingung und die vertikale Schwingung der Karosserie zurückzuführen. Die praktische Bedeutung von hohen-Ordnungen Heißrubbeln auf die subjektive Wahrnehmung des Fahrers wird zum ersten Mal aufgedeckt, obwohl die Untersuchungen nur auf drei Fahrzeuge beschränkt sind. Mit den Ergebnissen können die Auswirkungen von den am SMP gemessenen BTV und BPV des Heißrubbelns geschätzt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: hot judder, hot spots, brake judder, brake torque variation, brake pressure variation, drone noise, subjective rating
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Heißrubbeln, Hotspots, Bremsrubbeln, Bremsmomentschwankungen, Bremsdruckschwankungen, Brummgeräusch, subjektive BewertungGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Brake Technology
Date Deposited: 20 Dec 2016 11:32
Last Modified: 20 Dec 2016 11:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58730
Referees: Winner, Prof. Dr. Hermann and Melz, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 6 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5873
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