Avoidance of brake squeal by a separation of the brake disc's eigenfrequencies: A structural optimization problem

Brake squeal is a high-pitched noise in the frequency range between 1 kHz and 16 kHz originating from self-excited vibrations caused by the frictional contact between brake pads and brake disc. Since some decades, it has intensively been studied and many countermeasures have been proposed, including active and passive methods. It is known from experiments and has also been proved mathematically that splitting the eigenfrequencies of the brake rotor has a stabilizing effect and avoids brake squeal. In this thesis, this knowledge is used to derive design goals for asymmetric, squeal-free discs. It is necessary to split all eigenfrequencies of the brake disc in a pre-definable frequency band to guarantee stability, inhibit the onset of self-excited vibrations and thus avoid squeal completely. In order to achieve this goal, a structural optimization of automotive as well as bicycle brake discs is conducted. Using a novel, efficient modeling technique, large changes in the geometry can be covered leading to a successful optimization in all cases studied. Optimized automotive and bicycle brake discs have been manufactured and tested on appropriate brake test rigs to assess their squeal affinity, and it is shown that the optimized discs have a greatly improved squeal behavior. This validates the mathematical theory behind the presented approach and demonstrates that splitting eigenfrequencies of the brake rotor is a passive, low-cost and effective squeal countermeasure applicable to a variety of brake systems.

Bremsenquietschen stellt ein hochfrequentes Geräusch im Frequenzbereich von etwa 1 kHz bis 16 kHz dar. Es entsteht durch selbsterregte Schwingungen, die durch den Reibkontakt zwischen Bremsbelägen und Bremsscheibe ausgelöst werden. Seit einigen Jahrzehnten wird dieses Phänomen intensiv untersucht und es wurden viele passive und aktive Maßnahmen vorgeschlagen, es zu mindern. Aus Experimenten ist bekannt, dass das Aufspalten der Eigenfrequenzen des Bremsenrotors einen stabilisierenden Effekt hat und sich damit Bremsenquietschen vermeiden lässt. Vor kurzem erfolgte auch der mathematische Nachweis. Diese Vorkenntnisse werden in der vorliegenden Dissertation dazu genutzt, Ziele für die Gestaltung asymmetrischer, quietschfreier Bremsscheiben abzuleiten. Es ist notwendig, alle Eigenfrequenzen der Bremsscheibe in einem vorher abschätzbaren Frequenzbereich zu spalten, um Stabilität sicherzustellen. Damit können selbsterregte Schwingungen verhindert und Quietschen unterbunden werden. Dies führt auf eine Strukturoptimierung von Automobil- und Fahrradbremsscheiben. Die Verwendung einer neuen, effizienten Modellierungstechnik erlaubt es, große Geometrieänderungen zu berücksichtigen, um die Optimierung bei allen untersuchten Fällen erfolgreich abzuschließen. Die optimierten Automobil- und Fahrradbrems-scheiben wurden gefertigt, auf geeigneten Bremsenprüfständen getestet und ihre Quietschneigung untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Optimierung das Quietschverhalten stark verbessert hat. Dadurch wird die Praktikabilität des vorgestellten Ansatzes belegt. Zudem weisen diese Tests nach, dass das Aufspalten der Eigenfrequenzen des Bremsrotors eine passive, kostengünstige und effektive Maßnahme gegen Quietschen darstellt, die sich auf eine Vielzahl von Bremssystemen übertragen lässt.