Hybrid thermoelastic model for high performance c/c brakes judder vibration analysis

Thermoelastic phenomena in braking systems can result in loss of performance due to low frequency vibrations and loss of comfort due to high frequency vibrations. Low frequency vibrations are especially undesirable in high performance racing cars. In extreme cases, the interaction between mechanical and thermal loads can result in frictionally excited thermoelastic instability (TEI). In this work, a hybrid thermoelastic model has been developed in Dymola® environment to reproduce the dynamics of a disc brake assembly. The disc has been modelled through Finite Volume Method (FVM) including dynamic thermal behaviour and static mechanical behaviour, while the stationary part has been modelled through a FVM thermal model and a lumped parameters static mechanical model. The model has been validated against test bench experimental data, and extensive comparisons with traditional FEM models has been performed. Sensitivity to mesh refinement has been tested both in terms of results accuracy and in terms of computational speed. The model has been applied to an existing C/C disc brake assembly with known "judder" vibrations issues. Using the developed model, a sensitivity analysis has been conducted on the examined brake assembly, applying uneven thermal conductivity and thermal expansion coefficient profiles to the disc. From these analyses emerged that it is possible to reduce considerably the "judder" propensity of this brake assembly through a better carbon/carbon material production control, reducing material properties unevenness in the disc.

L’insorgere di fenomeni termoelastici nei sistemi frenanti può portare a perdita di prestazione dovuta a vibrazioni a bassa frequenza e a perdita di comfort dovuta a vibrazioni ad alta frequenza. I fenomeni vibratori a bassa frequenza sono particolarmente indesiderati nelle auto da competizione. In casi estremi, l’interazione tra carichi meccanici e termici può portare all'instabilità termoelastica (TEI) eccitata dall'attrito. In questo lavoro, è stato sviluppato un modello termoelastico ibrido in ambiente Dymola®, per riprodurre la dinamica di un sistema frenante a disco. Il disco è stato modellato tramite il metodo dei volumi finiti (FVM), includendo il comportamento termico dinamico e il comportamento meccanico statico, mentre la parte stazionaria è stata modellata attraverso un modello termico FVM e un modello meccanico statico a parametri concentrati. Il modello è stato validato tramite dati sperimentali raccolti al banco prova ed è stato confrontato estensivamente con modelli FEM tradizionali. La sensitività all’infittimento della mesh è stata testata sia in termini di accuratezza dei risultati sia in termini di velocità computazionale. Il modello è stato applicato ad un sistema frenante a disco C/C esistente con noti problemi di vibrazioni "judder". Usando il modello sviluppato, si è condotta un’analisi di sensitività sul sistema frenante in esame, applicando profili di conducibilità termica e di coefficiente di dilatazione termica non omogenei al disco. Da queste analisi è emerso come sia possibile ridurre considerevolmente la propensione al "judder" del sistema frenante in esame attraverso un migliore controllo del processo produttivo del materiale carbon/carbon, riducendo le disomogeneità delle proprietà del materiale all'interno del disco.