Anwendungsbericht
In-Plane-Moden an Bremsscheiben mit 3D-Scanning-Vibrometrie identifizieren
Bremsenquietschen entsteht meist durch Kopplung von Out-of-Plane-Mode und In-Plane-Mode der Bremsscheibe, oft nur einige zehn Hertz auseinander: Mikrofone und einachsige Sensoren erfassen einen verschmolzenen Peak. 3D-Scanning-Vibrometrie erfasst je Rasterpunkt den vollständigen Schwingungsvektor, trennt axiale, radiale und tangentiale Anteile und macht jede Mode eindeutig klassifizierbar.
Mit Euro 7 gilt nach Angaben der EU-Kommission erstmals eine Abgasnorm, die auch Partikel aus Bremsen begrenzt. Scheiben, Beläge und Beschichtungen verändern sich schneller, als die Erfahrungen zu Noise, Vibration and Harshness (NVH), also Geräusch, Vibration und Rauigkeit, nachkommen. Die verlässliche Identifikation von In-Plane-Moden wird damit zur Voraussetzung, um neue Reibpaarungen ohne neue Quietschprobleme freizugeben.
Euro 7 verändert Scheiben, Beläge und Beschichtungen
Euro 7 ist nach Angaben der EU-Kommission die erste Abgasnorm, die auch Partikel aus Bremsen begrenzt. Sie gilt für neue Typen von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen ab dem 29. November 2026 und für neue Fahrzeuge dieser Klassen ab dem 29. November 2027.
Die wichtigsten Stellhebel sind neue Reibmaterial-Rezepturen, beschichtete Graugussscheiben und neue Scheibenwerkstoffe. Sie alle verändern Steifigkeit, Dämpfung und Reibkopplung im Bremssystem.
Abhilfemaßnahmen gegen Bremsenquietschen lassen sich deshalb nicht mehr durch Ausprobieren abstimmen. Ingenieure müssen genau wissen, welche Scheibenmoden beteiligt sind. Dazu gehören auch die In-Plane-Moden, die herkömmliche Prüfmethoden häufig übersehen.
Warum In-Plane-Moden an Bremsscheiben beim Quietschen zählen
Eine Bremsscheibe hat drei Modenfamilien. An hochfrequentem Quietschen sind meist mindestens zwei davon beteiligt. Jede Familie wird durch die Anzahl ihrer Knotendurchmesser (n) und bei Biegemoden zusätzlich durch die Anzahl ihrer Knotenkreise (m) gekennzeichnet.
| Dominante Bewegung | Anregung | Typische Rolle beim Quietschen | |
|---|---|---|---|
| Out-of-Plane (OOP), Biegemode | Axial, senkrecht zur Reibfläche | Schwankungen der Belagnormalkraft | Strahlt Schall effizient ab und ist der hörbare Partner |
| In-Plane tangential (IPT), tangentiale In-Plane-Mode | Entlang des Umfangs, in der Scheibenebene | Direkt durch die Reibkraft | Führt dem System Energie zu und ist oft der antreibende Partner |
| In-Plane radial (IPR), radiale In-Plane-Mode | Radial, in der Scheibenebene | Indirekt über die Belaggeometrie und die Kopplung mit dem Topf der Bremsscheibe | Kann sich in der Frequenz verschieben oder mit benachbarten Moden koppeln |
Die folgenden Animationen zeigen jeweils eine Mode der drei Modenfamilien. Sie wurden aus den gemessenen Frequenzgangfunktionen (FRF) erzeugt.
Out-of-Plane
2.626 Hz
In-Plane radial
5.989 Hz
In-Plane tangential
12.448 Hz
Modenkopplung als Ursache
Der entscheidende Mechanismus ist die Modenkopplung. Unter Reibung können eine OOP-Mode und eine In-Plane-Mode mit gleicher Knotendurchmesserzahl in ihrer Frequenz verschmelzen und instabil werden. Das ist eine klassische Ursache hochfrequenten Quietschens.
Der In-Plane-Partner ist im Geräuschspektrum selten sichtbar. Dennoch ist er die Mode, an der die Abhilfemaßnahme ansetzen muss.
Warum In-Plane-Moden schwer zu finden sind
- Eng benachbarte Frequenzen: Bei Pkw-Scheiben liegen In-Plane- und OOP-Moden ähnlicher Ordnung oft nur einige zehn Hertz auseinander, manchmal noch weniger.
- Zusätzliche axiale Bewegung: Der Topf ist gegenüber dem Reibring versetzt. Deshalb erzeugen In-Plane-Moden auch axiale Bewegung auf der Reibfläche und erscheinen in einer einachsigen Messung wie eine weitere Biegemode.
- Dubletten: Jede Mode mit n > 0 existiert als Modenpaar gleicher Form. Kühlrippen, Bohrungen und Werkstoffinhomogenitäten spalten diese Paare um wenige Hertz auf. Dadurch vervielfacht sich die Zahl eng benachbarter Peaks.
Warum herkömmliche Sensoren an Grenzen stoßen
Liegen zwei Moden jeweils innerhalb der Bandbreite der anderen, lassen sie sich allein anhand eines Spektrums schwer trennen. Unterscheiden lassen sie sich jedoch durch die Richtung und das räumliche Muster ihrer Bewegung. Herkömmliche Sensoren erfassen beides nicht vollständig.
| Was er erfasst | Grenze bei In-Plane-Moden | |
|---|---|---|
| Mikrofon | Abgestrahlten Schalldruck an einer Position | Die OOP-Abstrahlung dominiert, In-Plane-Moden strahlen nur schwach ab. Räumliche Informationen und Richtungsinformationen fehlen, sodass ein verschmolzener Peak nicht getrennt werden kann. |
| Beschleunigungsaufnehmer, ein- oder dreiachsig | Beschleunigung an wenigen Punkten | Eine Zusatzmasse von einigen Gramm verschiebt die Scheibenfrequenzen und fügt Dämpfung hinzu. Wenige Messpunkte lösen weder Dubletten noch hohe Knotendurchmesserzahlen auf. An einer rotierenden Scheibe ohne Telemetrie nicht einsetzbar. |
| Einachsiges Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer (SLDV) | Geschwindigkeit entlang des Laserstrahls | Berührungslose Messung mit dichtem Messraster, aber nur eine Projektion. Bei senkrechtem Strahleinfall wird axiale Bewegung erfasst. In-Plane-Moden erscheinen nur über ihren axialen Nebeneffekt und werden leicht mit Biegemoden verwechselt. |
Quietschereignisse bringen ein zweites Problem mit sich: Sie sind kurz und nicht wiederholbar. Eine kurze Zeitaufzeichnung begrenzt die Frequenzauflösung. Eng benachbarte Moden lassen sich deshalb nicht zuverlässig allein aus dem Spektrum trennen.
Der verlässliche Weg besteht darin, die physikalische Unterscheidungsgröße zu messen: den dreidimensionalen Schwingungsvektor an jedem Punkt der Scheibe.
Das Messprinzip der 3D-Scanning-Laser-Doppler-Vibrometrie
Ein 3D-Scanning-Vibrometer richtet drei synchronisierte Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen auf denselben Punkt. Jeder Strahl misst die Projektion des lokalen Geschwindigkeitsvektors auf seine eigene Achse. Zusammen ergeben die drei Messungen den vollständigen Vektor, ohne die Scheibe zu berühren.
Der natürliche Bezug für eine Bremsscheibe ist ihre Achse. Wird der Vektor an jedem Punkt auf diese Achse bezogen, ergeben sich die drei Größen zur Klassifikation der Scheibenmoden:
- Axial: Biegebewegung aus der Scheibenebene heraus.
- Radial: Bewegung in der Scheibenebene zur Achse hin oder von ihr weg.
- Tangential: Bewegung in der Scheibenebene entlang des Umfangs.
Messablauf an der stehenden Bremsscheibe
Eine vollständige Untersuchung der In-Plane-Moden einer Pkw-Bremsscheibe umfasst eine Messsitzung an der stehenden Scheibe. Anschließend folgen gezielte Prüfungen an der montierten Radbremse (Corner) oder auf dem Bremsenprüfstand.
Scheibe montieren
Die Scheibe wird frei-frei mit weicher Aufhängung oder auf der Nabe montiert.
CAD- oder FE-Netz importieren
Das Messraster wird in SMART Lab direkt aus der importierten CAD- oder FE-Geometrie erzeugt.
3D-Kalibrierung
Die drei Messköpfe werden automatisch dreidimensional kalibriert.
Anregung und Scan
Für den Scan wird die Scheibe am Außenrand mit einem Shaker oder Impulshammer tangential oder schräg angeregt.
Transformation von UVW nach XYZ
Die drei gemessenen Geschwindigkeiten in den Strahlrichtungen der drei Messköpfe (UVW) werden in kartesische Koordinaten (XYZ) umgerechnet.
Moden identifizieren und mit dem FE-Modell korrelieren
Für jeden Peak werden die Antwortkarten verglichen, die Knotendurchmesser gezählt und die Moden mit den FE-Eigenformen korreliert.
Sechs Punkte für die Erfassung der In-Plane-Moden
- Randbedingung
- Beginnen Sie mit einer frei-frei gelagerten Scheibe in weicher Aufhängung, um saubere Scheibenmoden für die FE-Korrelation zu erhalten. Wiederholen Sie die Messung anschließend auf der Nabe oder in der montierten Radbremse, um Verschiebungen und Aufspaltungen durch die Montage zu erkennen.
- Anregungsrichtung
- Axiale Anregung regt In-Plane-Moden kaum an. Regen Sie die Scheibe mit einem Shaker oder Impulshammer tangential oder schräg am Außenrand an, damit alle drei Modenfamilien antworten.
- Rasterdichte
- Platzieren Sie ausreichend Punkte am Umfang, um die höchste interessierende Knotendurchmesserzahl aufzulösen. Beziehen Sie den Außenrand ein, an dem radiale Bewegung direkt sichtbar ist.
- Frequenzbereich und Auflösung
- Decken Sie den gesamten Quietschbereich ab. Wählen Sie die Frequenzauflösung so fein, dass aufgespaltene Dubletten und eng benachbarte OOP-/In-Plane-Modenpaare als getrennte Peaks erscheinen.
- Strahlgeometrie
- Positionieren Sie die drei Messköpfe in großen Winkeln zur Scheibennormalen. Die In-Plane-Anteile werden aus den schräg einfallenden Strahlen abgeleitet, daher liefern größere Winkel sauberere In-Plane-Ergebnisse.
- Auswertung
- Vergleichen Sie für jeden Peak die axialen, radialen und tangentialen Antwortkarten. Zählen Sie die Knotendurchmesser und korrelieren Sie die Moden mit den FE-Eigenformen.
Was der 3D-Scan an einer Bremsscheibe sichtbar macht
Das entscheidende Ergebnis eines 3D-Scans ist die Verteilung der Bewegung jeder Mode auf die axiale, radiale und tangentiale Richtung. An einer typischen innenbelüfteten Pkw-Scheibe werden damit drei Situationen sichtbar, die ein Spektrum allein nicht auflösen kann:
- Verdeckte Kopplungspaare: Wo das Spektrum einen einzelnen breiten Peak zeigt, lassen die 3D-Daten oft zwei Moden erkennen: eine Out-of-Plane-Biegemode und eine tangentiale In-Plane-Mode mit gleicher Knotendurchmesserzahl. Dies ist das klassische Paar für Quietschen durch Modenkopplung. Die Abhilfemaßnahme muss am In-Plane-Partner ansetzen.
- In-Plane-Moden, die wie Biegemoden aussehen: Durch den Versatz des Topfes gegenüber dem Reibring zeigen In-Plane-Moden auch eine deutliche axiale Bewegung. In einer einachsigen Messung erscheinen sie wie eine weitere Biegemode. Erst der dominierende In-Plane-Anteil macht ihre tatsächliche Zuordnung erkennbar.
- Aufgespaltene Dubletten: Zwei Moden gleicher Form mit leicht unterschiedlichen Frequenzen erscheinen als getrennte Peaks. Ihr Abstand ist ein direkter Indikator für die Asymmetrie der Scheibe und eignet sich zur Prüfung von Kühlrippenmustern oder Gussstreuungen.
Was die Modenidentifikation in der Entwicklung verändert
Wer den In-Plane-Partner einer Quietschmode kennt, kann Abhilfemaßnahmen gezielt entwickeln, statt sie durch Ausprobieren zu finden.
| Ohne 3D-Identifikation | Mit 3D-Identifikation | |
|---|---|---|
| FE-Modellvalidierung | Nur Biegemoden werden korreliert, In-Plane-Moden bleiben ungeprüft. | Alle drei Modenfamilien werden mit dem Modal Assurance Criterion (MAC), das die Übereinstimmung von Eigenformen bewertet, korreliert, einschließlich der Dublettenaufspaltung. |
| Abhilfemaßnahmen gegen Quietschen | Shims, Fasen und Dämpfung werden an der hörbaren Mode ausprobiert. | Geometrie- oder Werkstoffänderungen zielen darauf, das tatsächlich gekoppelte Modenpaar zu trennen. |
| Reibpaarungen für Euro 7 | Jede neue Beschichtung oder Belagmischung benötigt eine vollständige Geräuschmatrix, um Probleme zu finden. | Die Modenverschiebung der Scheibenvarianten wird vor den Prüfstandsläufen gemessen und verglichen. |
| Scheibenvarianten und Lieferanten | Unterschiede werden spät erkannt, in Form von Gewährleistungsfällen. | Dublettenabstand und In-Plane-Frequenzen dienen als Qualitätsmerkmale. |
Der größte Nutzen entsteht früh im Euro-7-Entwicklungsprogramm. Wird eine emissionsarme Beschichtung oder ein neuer Scheibenwerkstoff eingeführt, zeigt ein 3D-Scan der alten und der neuen Scheibe innerhalb eines Tages, ob eine In-Plane-Mode an eine benachbarte Biegemode herangerückt ist. Dieses Risiko lässt sich vor der ersten Geräuschmatrix auf dem Bremsenprüfstand konstruktiv beseitigen.
Empfohlene Systeme für Bremsscheibenmessungen
SMART 3D-Scan
SMART 3D-Scan mit der Modalanalyse-Option von SMART Lab für die vollständige Identifikation der In-Plane-Moden und die FE-Korrelation.
Zum Produkt
SMART Scan+
SMART Scan+ ermöglicht schnelle Scans mit einem Messkopf, wenn nur Biegemoden benötigt werden.
Zum Produkt
SMART Multi-Fiber
SMART Multi-Fiber oder SMART 3D-Fiber erfasst alle Punkte gleichzeitig im selben Quietschereignis.
Zum ProduktQuellen und Literatur
Euro 7 verweist für Bremsemissionen auf das Prüfverfahren nach UN-Regelung Nr. 179 (UN R179), der Weiterentwicklung von UN GTR Nr. 24 (UN Global Technical Regulation Nr. 24). Diese Umstellung erfolgt durch die Delegierte Verordnung (EU) 2026/1214, in Kraft seit 23. September 2026.
- Verordnung (EU) 2024/1257 (Euro 7) auf EUR-Lex
- HELLA: Wie die Abgasnorm Euro 7 Bremsenhersteller fordert. Der Artikel beschreibt die Grenzwerte für Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern (PM10) aus Bremsen und das Prüfverfahren GTR 24 mit dem Stand vor der Umstellung auf UN R179.
Literatur
Kinkaid, N. M., O'Reilly, O. M., Papadopoulos, P.: Automotive disc brake squeal. Journal of Sound and Vibration 267(1), 105–166 (2003). Übersicht der Quietschmechanismen einschließlich Modenkopplung.
Chen, F., Tan, C. A., Quaglia, R. L. (Hrsg.): Disc Brake Squeal: Mechanism, Analysis, Evaluation, and Reduction/Prevention. SAE International, 2006.