Review, tuning and validation of a thermoelastic model for high-performance braking systems

A high-performance braking system is influenced by various interconnected physical aspects. Mechanical, thermal, and tribological phenomena make the development of braking systems a highly complex activity. The finite element method is generally used in order to study a braking system behavior. However, FEM analyses are characterized by long computation times both in terms of simulations and models preparation. For this reason, it has been developed a thermoelastic model implemented in the Dymola ® program. The goal is to obtain a tool suitable for the primary design phase of a new braking system. This model allows a significant reduction of computation time through the utilization of a hybrid modeling approach. The disk and the brake pads are modeled using the finite volume method, while all other components, such as the caliper, pistons, and bell, are described using lumped parameter models. This solution combines high model flexibility, allowing for a fast and effective implementation of all geometric system characteristics, with considerable calculation speed, without compromising the reliability of the results obtained. The accuracy of the model is based on the faithful representation of the materials behavior during contact. The modeling of the local friction coefficient involves the application of an analytical function based on comprehensive tribology studies and experimental results derived from tests conducted on specialized test benches. One of the main activities of this thesis work has been a meticulous refinement of the local friction law coefficients, in addition to a comprehensive review and validation of the thermoelatic model. Model validation has been performed by considering five different braking systems, obtaining good results both in comparison with experimental data and in comparison with FEM analyses.

Un impianto frenante ad elevate prestazioni è influenzato da molti aspetti fisici interconnessi tra loro. Fenomeni meccanici, termici e fenomeni strettamente legati alla tribologia rendono lo sviluppo di questi sistemi un’attività molto complessa. Il metodo agli elementi finiti è lo strumento che viene generalmente utilizzato al fine di studiare il comportamento di un impianto frenante. Le analisi FEM sono caratterizzate, però, da elevati tempi di calcolo sia in termini di simulazione, sia in termini di preparazione del modello. Per questo motivo è stato sviluppato un modello termoelastico implementato nel programma Dymola al fine di ottenere uno strumento da utilizzare nella prima fase di sviluppo di un nuovo impianto frenante. Questo modello permette un notevole abbattimento dei tempi di calcoli basandosi su una modellazione ibrida. Il disco e la pastiglia sono modellati tramite il metodo dei volumi finiti, mentre tutti gli altri componenti, come pinza, pistoni e campana vengono descritti tramite modelli a parametri concentrati. Questa soluzione permette di combinare un’elevata flessibilità del modello, permettendo una veloce ed efficace implementazione di tutte le carattaristiche geometriche dell’impianto, e una notevole velocità di calcolo, senza, però, tralasciare l’affidabilità dei risultati ottenuti. L’accuratezza del modello si basa sulla corretta rappresentazione del comportamento dei materiali a contatto. La modellazione del coefficiente di attrito locale avviene tramite una funzione analitica basata su approfonditi studi di tribologia e su risultati sperimentali ottenuti da test effettuati su banchi prova. Una delle attività di questo lavoro di tesi è stata proprio la messa a punto dei coefficienti delle legge di attrito locale, oltre ad un’accurata revisione ed una validazione del modello. La validazione del modello è stata ottenuta considerando cinque impianti frenanti diversi ottenendo dei buoni risultati sia per il confronto con i dati sperimentali sia per il confronto con analisi FEM.