3Dスキャニング振動計測でブレーキディスクの面内モードを同定

ブレーキディスクには3つのモード群があります。高周波のブレーキ鳴きには、通常、そのうち少なくとも2つが関与します。各モード群は節直径の数（n）で特徴づけられ、曲げモードではさらに節円の数（m）も用いられます。

以下のアニメーションは、3つのモード群からそれぞれ1つのモードを示しています。測定した周波数応答関数（FRF）から生成したものです。

原因となるモード連成

鍵となるメカニズムは モード連成です。摩擦の作用により、節直径数が等しいOOPモードとIn-Planeモードの周波数が一致し、不安定化することがあります。これは高周波のブレーキ鳴きを引き起こす典型的な原因です。

連成相手となるIn-Planeモードは、騒音スペクトルにはほとんど現れません。それでも、対策の対象とすべきなのはこのモードです。

In-Planeモードの検出が難しい理由

• 互いに近接する周波数: 乗用車のブレーキディスクでは、同程度の次数を持つIn-PlaneモードとOOPモードの周波数差は、多くの場合わずか数十Hertzで、それ以下になることもあります。
• 付随する軸方向の運動: ディスクのハット部は摩擦リングに対して軸方向にオフセットしています。そのため、In-Planeモードでも摩擦面に軸方向の運動が生じ、単軸測定では別の曲げモードのように見えます。
• モードの対: n > 0の各モードは、同じ形状を持つ一対のモードとして存在します。冷却フィン、穴、材料の不均一性によって、この対の周波数は数Hertz離れます。その結果、互いに近接するピークの数が増えます。

3Dスキャニング振動計は、同期した3本のレーザービームを異なる方向から同じ測定点に照射します。各ビームは、その点の速度ベクトルを自身のビーム軸に投影した成分を測定します。3つの測定結果を組み合わせることで、ディスクに触れることなく、完全な速度ベクトルを取得できます。

ブレーキディスクでは、ディスクの軸を基準にするのが適切です。各点のベクトルをこの軸に基づいて表すと、ディスクの振動モードを分類するための次の3成分が得られます。

• 軸方向: ディスク面に対して面外方向に生じる曲げ運動。
• 半径方向: ディスク面内で軸に近づく、または軸から遠ざかる方向の運動。
• 接線方向: ディスク面内で円周に沿う方向の動き。

3Dスキャンで得られる重要な結果は、各モードの振動が軸方向、半径方向、接線方向にどのように分布しているかです。一般的な乗用車用ベンチレーテッドディスクでは、スペクトルだけでは判別できない次の3つの現象を明らかにできます。

• 隠れた連成モード対： スペクトル上では幅の広い単一のピークに見えても、3Dデータでは2つのモードを識別できることがよくあります。節直径数が同じOut-of-Plane曲げモードと、接線方向のIn-Planeモードです。これはモード連成による鳴きの典型的な組み合わせです。対策は、連成相手のIn-Planeモードに着目して検討する必要があります。
• 曲げモードに見えるIn-Planeモード： ハット部が摩擦リングに対してオフセットしているため、In-Planeモードにも顕著な軸方向の動きが生じます。1軸測定では、別の曲げモードのように見えてしまいます。In-Plane成分が支配的であることを確認して初めて、モードを正しく分類できます。
• 二重モードの分裂： モード形状が同じで周波数がわずかに異なる2つのモードが、個別のピークとして現れます。ピーク間隔はディスクの非対称性を直接示す指標であり、冷却フィンの配置や鋳造ばらつきの評価に役立ちます。