Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modalhammer sowie ein Verfahren zur schwingungstechnischen Untersuchung einer Bremsscheibe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Möglichkeit zur Untersuchung von Moden einer Bremsscheibe unter realitätsgetreuen Bedingungen.

Die Vermeidung von Bremsgeräuschen ist eine große Herausforderung für die Entwicklung von PKW-Bremssystemen. Um die Geräuschentwicklung im Entwicklungsprozess eines Bremssystems zu beurteilen, werden Bremsengeräuschprüfstände (BGP) genutzt. An diesen BGPs wird eine Vielzahl von Bremsungen unter unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen nachgestellt, um eine möglichst umfassende Beurteilung der Geräuschanfälligkeit eines Bremssystems zu ermöglichen (passive Geräuschsuche).

Alternativ kann eine aktive Geräuschsuche durchgeführt werden, bei der das Bremssystem durch ein zusätzliches Gerät zur Schwingung im hörbaren Frequenzbereich angeregt wird. Diesbezüglich wird auf DE 100 06 391 A1 sowie auf DE 102019 119 149 A1 verwiesen. Die Schwingungsanregung muss dabei möglichst nahe am Reibkontakt zwischen Scheibe und Belag erfolgen, da dieser die Ursache für die Bremsengeräusche ist.

Die passive Geräuschsuche ist sehr zeitaufwändig, da für ein aussagekräftiges Ergebnis viele Versuche auf dem Prüfstand notwendig sind. Außerdem unterliegen die Ergebnisse der passiven Geräuschsuche Schwankungen, deren Ursache nicht vollständig verstanden ist.

Für eine Betriebsschwingformenanalyse eines Bremssystems muss ein Geräusch durch gezieltes Anfahren der Betriebszustände erzeugt werden. Sobald ein Mikrofon das Geräusch detektiert, wird eine Messung zur Ermittlung der Betriebsschwingformen mittels eines Doppler-Laser-Scanning-Vibrometers durchgeführt. Allerdings ist es häufig schwer, das Geräusch lang genug aufrechtzuhalten, die Messzeit ist somit begrenzt. Da jedoch bevorzugt mehrere 100 Messpunkte abgetastet werden müssen, um eine Betriebsschwingform korrekt zu rekonstruieren, ist u. II. das Anfahren des jeweiligen Betriebszustands mehrmals notwendig. Außerdem wird nur die Betriebsschwingform bei der Frequenz des auftretenden Geräusches vermessen.

Im Stand der Technik bekannte Versuchsaufbauten haben den Nachteil, dass das Bremssystem eines Fahrzeugs hinsichtlich seines Schwingverhaltens durch die Messtechnik mitunter signifikant verändert wird. Da das zusätzliche Anbringen kleiner Massen (10g bis 50g) aber eine bekannte Maßnahme zum Unterdrücken von Quietschen ist, sind die bekannten Versuchsaufbauen nicht gänzlich ohne Rückwirkung auf das Untersuchungsergebnis des Geräuschverhaltens des Bremssystems.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Stand der Technik bekannten Nachteile zu erübrigen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur schwingungstechnischen Untersuchung einer Bremsscheibe gelöst. Zudem wird ein Modalhammer zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur schwingungstechnischen Untersuchung einer Bremsscheibe vorgeschlagen. Die Bremsscheibe kann für ein PKW-Bremssystem vorgesehen sein. In einem ersten Schritt wird die Bremsscheibe gedreht, während diese in Eingriff mit einem Bremsklotz steht bzw. mittels des Bremsklotzes gebremst wird. Der Bremsklotz bzw. das Bremssystem kann ebenfalls ein seriennahes oder dem Serienstand entsprechendes Bremssystem sein. Mit anderen Worten wird auf einem Prüfstand eine Kombination aus Bremsscheibe und Bremsklotz, Bremssattel, etc. auf schwingungstechnische Eigenschaften hin untersucht. Der Bremseingriff kann mit einer vordefinierten Bremskraft erfolgen. Die Drehung der gebremsten Bremsscheibe kann beispielsweise mittels eines Elektromotors erfolgen. Dieser kann drehzahlgeregelt betrieben werden, so dass eine vordefinierte Drehzahl der Bremsscheibe stets eingehalten wird. In einem weiteren Schritt wird die Bremsscheibe mittels eines Schwingerregers, insbesondere automatisch, bevorzugt mittels eines Schlages eines Modalhammers, angeregt. Nachfolgend wird hierzu stets von einem Modalhammer gesprochen, um die sprachliche Einfachheit zu bewahren. Insbesondere kann der Modalhammer in radialer Richtung oder in axialer Richtung auf die Bremsscheibe schlagen. Die Bremsscheiben wird also während ihrer Bewegung unter Bremskrafteinwirkung mittels des Modalhammers angeregt. Hierdurch ergibt sich eine besonders realitätsnahe Schwingungsmode für die Bremsscheibe, was nachfolgend ausgenutzt wird. In einem letzten Schritt wird die Bremsscheibe an verschiedenen Punkten mittels eines Laservibrometers abgetastet. Mit anderen Worten werden repräsentative Oberflächenbereiche der Bremsscheibe des Laservibrometers hinsichtlich ihres Ausschlages im Zuge der angeregten Schwingung (Bremsquietschen) abgetastet. Die Punkte können nach einem einzigen Schlag mittels des Modalhammers, mittels eines jeweiligen Schlages, mittels des Modalhammers oder während mehrerer Schläge mit dem Modalhammer vermessen werden. Durch die Drehung unter Bremskrafteinwirkung ergibt sich eine besonders realitätsgetreue Modalanalyse, da die Anregung und Schleifwirkung durch die Bremse realitätsgetreu enthalten ist, die örtliche Einwirkung der Bremse auf unterschiedliche Bereiche einer Schwingungsform erhalten bleiben, Fliehkräfte innerhalb der Bremse wie im realen Betrieb auftreten und zudem Umgebungsluft die Luftkammern zwischen den zwei Bremsscheibenseiten durchströmt. Die mittels des Laservibrometers aufgenommenen Ergebnisse entsprechen daher bestmöglich realen Betriebsbedingungen, unter welchen üblicherweise Bremsenquietschen auftritt.

Die zeitlich aufeinanderfolgende Vermessung der verschiedenen Punkte auf der Bremsscheibe kann bevorzugt dadurch zu repräsentativen Ergebnissen führen, dass eine vordefinierte Geschwindigkeit der Drehung vor der Ausführung der Abtastung sichergestellt wird. Beispielsweise kann eine Geschwindigkeit konstant gehalten werden, während die Abtastung erfolgt und/oder weitere vordefinierte Bedingungen sichergestellt werden. Beispielsweise kann zudem eine vordefinierte Temperatur der Bremsscheibe oder der Bremsflüssigkeit sichergestellt werden. Hierzu kann das System in einen eingeschwungenen Zustand gebracht werden, in welchem die Bremsscheibe exakt so viel thermische Energie abstrahlt, wie sie durch den Bremsvorgang aufnimmt. Die Messung der vordefinierten Temperatur kann mittels kontaktloser Messungen, mittels eines Schleifthermometers und/oder durch Messung der Bremsflüssigkeitstemperatur erfolgen. Nach dem Einschwingen der Bremsscheibentemperatur kann die Messung mittels des Laservibrometers freigegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein vordefinierter Bremsdruck ermittelt werden, welcher über die Zeitdauer der Abtastung der verschiedenen Punkte konstant gehalten wird, um die Vermessung der verschiedenen Punkte auf der Bremsscheibe im Wesentlichen fehlerfrei zusammenfügen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann sichergestellt werden, dass eine vordefinierte Drehposition der Bremsscheibe im Moment des Auftreffens des Modalhammers hergestellt ist. Auf diese Weise trifft der Modalhammer stets auf die identische Position auf der Bremsscheibe, so dass gegebenenfalls Rotationsasymmetrien keinen Einfluss auf das Messergebnis haben können. Erst im Ansprechen auf die Ermittlung der vorgenannten Startbedingungen bzw. beliebiger Kombinationen der vorgenannten Startbedingungen wird anschließend die Anregung und/oder die Abtastung der Bremsscheibe gestartet. Bestmögliche Messergebnisse können somit durch sequentielle Abtastung der Bremsscheibe mittels der Laservibrometer gewährleistet werden.

Während der Abtastung kann der Laserstrahl des Laservibrometers einem vordefinierten Punkt auf der Bremsscheibe nachgeführt werden. Beispielsweise kann während der Vermessung des betrachteten Punktes stets derselbe Punkt mittels des Laserstrahls bestrahlt werden. Alternativ kann der Laserstrahl fix ausgerichtet werden, so dass auf der Bremsscheibe ein Kreis abgetastet wird. Sofern der Laserstrahl dem vermessenen Punkt nachgeführt wird, kann der Laser selbst auf einer synchron zur Bremsscheibe gedrehten Vorrichtung angeordnet sein, um den Laserstrahl auf den Punkt gerichtet zu bewahren. Alternativ kann der Laserstrahl mittels eines optischen Spiegels o.ä. auf eine Kreisbahn abgelenkt werden, so dass stets ein und derselbe Punkt auf der Bremsscheibe abgetastet wird, während die Schwingung der Bremsscheibe abklingt.

Die Anregung bzw. Schlagrichtung des Modalhammers kann in radialer Richtung und/oder in tangentialer Richtung erfolgen. Beispielsweise kann der Modalhammer hierzu von den Bremsblöcken eingegriffenen (blanken) Seitenflächen der Bremsscheibe oder die leere Zwischenräume aufweisende Stirnfläche der Bremsscheibe Oberflächen normal anregen. Hierbei kann der Modalhammer einen Stiel aufweisen, welcher in tangentialer Richtung zur Rotation der Bremsscheibe in dem Moment ausgerichtet ist, in welchem der Kopf des Modalhammers die Bremsscheibe berührt. Auf diese Weise können den Modalhammer gegebenenfalls schädigende Momente vermieden werden, welche die Lagerung des Stiels des Modalhammers gegebenenfalls über Gebühr beanspruchen würden, indem die Bremsscheibe den Modalhammerkopf im Moment des Aufpralls in einer Querrichtung „zieht“.

Der Modalhammer kann mittels unterschiedlicher Messsensoren ausgestaltet sein, eine Kenngröße des Schlages messtechnisch zu ermitteln und mit einer vordefinierten Referenz zu vergleichen. Mit anderen Worten kann der vom Hammer ausgeübte Impuls bzw. die zum Zeitpunkt des Auftreffens herrschende Geschwindigkeit/Beschleunigung des Hammerkopfes messtechnisch ermittelt werden. Die Referenz kann eine Sollgröße für die Kenngröße darstellen, so dass im Ansprechen auf ein Erreichen der vordefinierten Referenz die Messung für „gültig“ bzw. „in Ordnung“ erklärt und abgespeichert wird, während im Falle einer Abweichung von der vordefinierten Referenz die Messung jedoch verworfen wird, die Messdaten optional nicht abgespeichert und die Messung gegebenenfalls automatisch wiederholt wird.

Der Modalhammer kann insbesondere ortsfest auf dem Prüfstand angeordnet sein. Insbesondere kann der Modalhammer ortsfest bezüglich des Laservibrometers bzw. der Laservibrometer angeordnet sein. Beispielsweise kann der Modalhammer auf einem Stativ (Dreibein) und/oder zumindest losgelöst vom Bremssystem fixiert sein, um das Bremssystem während der Untersuchung nicht schwingungstechnisch zu beeinflussen.

Die schwingungstechnische Untersuchung kann insbesondere die Abtastung von 3 bis 3000, insbesondere 30 bis 300, äußerst bevorzugt 50 bis 200, Messpunkte passen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Drehgeschwindigkeit der Bremsscheibe von 0,5 bis 10 U/min, bevorzugt von 1 bis 5 U/min, äußerst bevorzugt von 1 ,5 bis 4 U/min, ausgeführt werden. Diese Drehgeschwindigkeiten entsprechen denjenigen, welche kurz vor dem Stillstand herrschen, in welchem erfahrungsgemäß die größte Neigung der Bremsen zum Quietschen besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgestaltet sein, dass für jeden der vorgenannten Messpunkte auf der Bremsscheibe mindestens, bevorzugt exakt, ein Schlag mittels des Modalhammers, ausgeführt wird, im Nachgang wozu das Ausschwingverhalten der Bremsscheibe an den betrachteten Punkt mittels des Laservibrometers aufgenommen wird. Somit wird sukzessive Punkt für Punkt die Oberfläche der Bremsscheibe mittels des Laservibrometers gemessen, nachdem ein im Wesentlichen erfindungsgemäß hergestellter identischer Schwingungszustand mittels des Modalhammers provoziert worden ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Modalhammer vorgeschlagen, welcher zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens geeignet ist. Der Modalhammer weist einen Motor auf, mittels dessen ein Stiel geschwenkt werden kann. Der Stiel trägt ein elastisches Element zwischen dem Motor und Kopf. Durch das elastische Element ist der Kopf imstande, sich unabhängig von der durch den Motor aktivierten Kinematik etwas mit der Bremsscheibe mitzubewegen, während er die Bremsscheibe berührt und dort gegebenenfalls anhaftet. Hierdurch entlastet das elastische Element die Lagerung des Stiels im Motor bzw. den Motor, entkoppelt den Motor vibrationstechnisch gegenüber dem Kopf und kann durch seine Verformung auch Aufschluss über die wirkenden Kräfte geben. Mit anderen Worten ermöglicht das elastische Element eine Wegmessung, um auf die Schlagkraft schließen zu können.

Insbesondere kann das elastische Element zwischen dem Motor und dem Stiel und/oder zwischen dem Stiel und dem Kopf des Modalhammers angeordnet sein. Somit kann eine besonders effiziente Entkopplung, eine einfache Montage und eine hohe Lebensdauer erzielt werden. Insbesondere für den Fall, dass das elastische Element zu dem Stiel und dem Kopf angeordnet ist, können der Stiel und der Kopf derart ausgestaltet sein, dass das elastische Element einen Formschluss sowohl zum Stiel als auch zum Kopf eingeht. Dieser Formschluss kann beispielsweise durch ein erstes Gewinde (Innengewinde im elastischen Element) und ein Außengewinde an der Mantelfläche des elastischen Elementes hergestellt werden. Das Innengewinde des elastischen Elementes greift in ein Außengewinde im Stiel ein, während in das Außengewinde im elastischen Element ein Innengewinde des Kopfes eingreift. Somit kann eine dauerhafte Verbindung zu dem Kopf und dem Stiel mittels des elastischen Elementes hergestellt werden. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Versuchsaufbaues zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Figur 2 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur schwingungstechnischen Untersuchung einer Bremsscheibe.

In Figur 1 ist ein Versuchsaufbau dargestellt, gemäß welchem ein Elektromotor 7 eine Bremsscheibe 1 eines Bremssystems mit konstanter Drehgeschwindigkeit zu drehen imstande ist. Ein Bremssattel 5 mit einem nicht dargestellten Bremsklotz ist eingerichtet, während der Drehung der Bremsscheibe 1 die Drehung zu bremsen. Hierzu drückt der Bremssattel 5 mittels eines nicht dargestellten Bremskolbens einen nicht dargestellten Bremsklotz an dem Reibring der Bremsscheibe 1. Ein Modalhammer 2 ist eingerichtet, durch einen Elektromotor 24, welcher einen Stiel 23 zu schwenken imstande ist, entlang eines Pfeils 9 gegen eine Stirnfläche der Bremsscheibe 1 zu führen. Hierbei kollidiert der über eine Gummihülse als elastisches Element 22 mit dem Stiel 23 gekoppelte Kopf 21 mit der Stirnfläche und regt die Bremsscheibe 1 während der gebremsten Rotation zu Schwingungen an. Ein Punkt P wird mittels Laservibrometer 6 über Laserstrahlen 8 abgetastet. Hierdurch kann die Schwingungsform der Bremsscheibe 1 zumindest bezüglich der auf dem entsprechenden Radius liegenden Kreis vermessen werden.

Figur 2 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur schwingungstechnischen Untersuchung einer Bremsscheibe. In Schritt 100 wird die Bremsscheibe in gebremstem Zustand gedreht. Bevor die Messung beginnt, wird im Schritt 200 ein Vorliegen einer vordefinierten Geschwindigkeit der Drehung (Drehgeschwindigkeit) ermittelt, in Schritt 300 eine vordefinierte Temperatur des Bremssystems (z.B. der Bremsflüssigkeit) ermittelt, in Schritt 400 ein vordefinierter Bremsdruck festgestellt und in Schritt 500 eine vordefinierte Drehposition der Bremsscheibe ermittelt. Im Ansprechen darauf wird die Anregung der Bremsscheibe in Schritt 600 mittels eines Schlages eines Modalhammers vorgenommen. Hierbei regt der Modalhammer die Bremsscheibe breitbandig an, während diese gebremst durch einen Elektromotor rotiert wird. In Schritt 700 wird zu guter Letzt die Bremsscheibe an verschiedenen Punkten mittels eines Laservibrometers abgetastet. Zumindest wird nach dem in Schritt 600 ausgeführten Schlag ein Punkt bzw. eine Kreisbahn auf der Bremsscheibe mittels des Laservibrometers abgetastet. Für die Abtastung in Schritt 700 bezüglich weiterer Punkte kann jeweils ein erneuter Schlag mittels des Modalhammers ausgeführt werden.

Alternativ zum Modalhammer wird das Gehäuse des Elektromagneten ohne direkten Kontakt zum Bremssystem montiert. Der Elektromagnet erzeugt über den Reibring der Bremsscheibe ein hochdynamisches Magnetfeld, womit das Bremssystem breitbandig zur Schwingung angeregt wird.

Diese Art der Schwingungsanalyse wird üblicherweise an statischen Objekten oder Systemen durchgeführt. Im neuen Verfahren wird die Schwingung der Bremse allerdings während des Betriebs des Bremssystems durch den Modalhammer oder den Elektromagneten angeregt, um die Systemeigenschaften während des Betriebs des Bremssystems zu ermitteln. Dazu schlägt der Modalhammer bei konstanter Geschwindigkeit des Reibrings und konstantem Bremsdruck auf den rotierenden Reibring. Ist der Elektromagnet montiert, setzt das hochdynamische Magnetfeld den rotierenden Reibring durch magnetische Wechselwirkung in Bewegung.

Durch die externe Anregung während einer Bremsung kann auch ohne das explizite Auftreten eines Geräuschs die Geräuschanfälligkeit des Bremssystems über das gesamte Spektrum erfasst werden. Dazu wird eine Übertragungsfunktion zwischen der Oberflächenschnelle mehrerer Punkte auf der Bremsscheibe und dem Bremsbelag, und einer durch den Modalhammer oder den Elektromagneten aufgebrachte Anregungskraft gebildet. Die Erfassung der Oberflächenschnelle erfolgt kontaktfrei, bspw. mit einem Doppler-Laser- Scanning-Vibrometer. Sowohl die In-Plane als auch die Out-Of-Plane Bewegung der Bauteile muss erfasst werden. Die Übertragungsfunktion wird zur Beurteilung kritischer Frequenzen des Bremssystems genutzt. Je kritischer eine bestimmte Frequenz hinsichtlich Quietschens ist, desto größer ist die Amplitude der Übertragungsfunktion bei der jeweiligen Frequenz.

Mit dem neuen Verfahren kann die Geräuschanfälligkeit eines Bremssystems schnell über den gesamten Frequenzbereich beurteilt werden. Das Verfahren ist deshalb weniger zeitaufwändig. Außerdem unterliegen die Ergebnisse der aktiven Geräuschsuche weniger Schwankungen, sodass das Verfahren reproduzierbar ist.

Neben der Ermittlung der modalen Parameter ermöglicht die externe Anregung während des Betriebs zusätzlich die Betriebsschwingformen des Bremssystems zu vermessen. Die kontrollierte externe breitbandige Anregung mittels des Modalhammers oder des elektromagnetischen Schwingerregers ermöglicht eine kontinuierliche Vermessung vieler Betriebsschwingformen über den gesamten Frequenzbereich, ohne dass ein Geräusch tatsächlich auftreten muss.

Mit dem Modalhammer oder dem Elektromagneten ist eine rückwirkungsfreie Untersuchung des Bremssystems auf dessen Geräuschanfälligkeit möglich, da das Gehäuse des Modalhammers oder des Elektromagneten ohne direkten Kontakt zum Bremssystem montiert ist. Außerdem ist die Verwendung des Modalhammers oder des Elektromagneten eine besonders einfache Anregung, um die gebremst gedrehte Bremsschreibe breitbandig anzuregen und das Schwingungsverhalten des Bremssystems verändernde Umbauten entfallen können. Insgesamt werden also Kosten gespart und die Qualität der Messergebnisse erhöht.

Bezugszeichenliste:

1 Bremsscheibe

2 Modalhammer

5 Bremssattel

6 Laservibrometer

7 Elektromotor

8 Laserstrahl

9 Pfeil

21 Kopf

22 elastisches Element

23 Stiel

24 Elektromotor 100 bis 700 Verfahrensschritte P Punkte