high performance brakes thermoelastic model review and validation

Thermoelastic interactions and tribological materials properties are complex phenomena strongly influencing the behaviour of high performance braking systems, together with other design characteristics of disc, pads and caliper. Classical models able to correctly reproduce the system response in braking phases are usually based on FEM approach and particularly time demanding, thus they are not suitable to be used during preliminary design phase to identify the best system configuration. Furthermore, it is usually not possible to express the coefficient of friction dependencies on relevant factors. Brembo developed a thermoelastic model capable to drastically reduce the computational time still giving reliable results compared to experimental data. Some of the key features of that tool include a simplified representation of disc and pads geometry through a finite volume approach, while hydraulic pistons and caliper are analitically described, nonetheless considering their principal design parameters. Anisotropic properties of disc and pads C/C materials are considered, as well as a local friction law able to evaluate the influence of temperature, pressure and speed. This thesis activity aimed to enhance the simulations results of that model. A temperature overestimation tendency was solved modifying the method and the equations used to define the disc heat advection term. Furthermore, through a literature research that has been reported, it was possible to identify a problem related to numerical diffusion that affects the model results. Also, a new formulation of local friction map based on experimental data analysis was proposed after having identified some limitations of the previously implemented law. The model was then validated through the comparison of simulations results with experimental data coming from Brembo test bench and then it was used to foresee the performance of a new braking system designed for the 2023 F1® season before its production.

Fenomeni termoelastici e proprietà tribologiche dei materiali sono aspetti particolarmente complessi che influenzano il funzionamento degli impianti frenanti ad elevate prestazioni, così come altri particolari relativi alla configurazione di disco, pastiglie e pinza. I modelli agli elementi finiti sono solitamente usati per simulare il comportamento termomeccanico degli impianti, ma essi sono caratterizzati da alcuni limiti che ne prevengono l’utilizzo nella fase preliminare di progettazione di un nuovo impianto, ovvero quando diverse configurazioni sono confrontate: il tempo computazionale richiesto e l’impossibilità di esprimere una formulazione analitica del coefficiente di attrito locale nel contatto tra disco e pastiglia. Brembo ha sviluppato un modello termoelastico semplificato, realizzato in ambiente Dymola ®, che riesce a risolvere i problemi descritti. Lo strumento è basato su un approccio ai volumi finiti per la descrizione di disco e pastiglie, mentre pistoni idraulici e pinza sono modellati dando la possibilità di variare alcuni dei parametri che maggiormente influenzano le prestazioni di un impianto frenante, tra i quali geometria e posizione dei pistoni, oltre che l’eventuale presenza di angolo di amplificazione della pinza. Nel lavoro di tesi presentato si sono migliorati due aspetti fondamentali del modello al fine di rendere i risultati più attendibili. Si è risolta la tendenza del modello a sovrastimare la temperatura del disco, modificando l’approccio e le equazioni usate per la definizione del termine di avvezione del calore nel bilancio energetico del disco. Si è inoltre verificato che i risultati forniti sono affetti dal problema della diffusione numerica. Si è poi proposta una nuova formulazione di legge di attrito locale C/C basata su dati sperimentali raccolti al banco prove Brembo dopo aver individuato alcuni limiti della legge precedentemente utilizzata. Il modello è stato validato tramite confronto con dati banco ed è poi stato utilizzato in modo predittivo per stimare le prestazioni di un nuovo impianto progettato per la stagione 2023 di F1® e non ancora prodotto.