Raport aplikacyjny
Identyfikacja postaci drgań In-Plane tarcz hamulcowych za pomocą skaningowej wibrometrii 3D
Piszczenie hamulców powstaje najczęściej wskutek sprzężenia postaci drgań Out-of-Plane i In-Plane tarczy hamulcowej, których częstotliwości często dzieli zaledwie kilkadziesiąt Hertz: mikrofony i czujniki jednoosiowe rejestrują jeden zlewający się pik. Skaningowa wibrometria 3D mierzy pełny wektor drgań w każdym punkcie siatki pomiarowej, rozdziela składowe osiowe, promieniowe i styczne oraz umożliwia jednoznaczną klasyfikację każdej postaci drgań.
Według Komisji Europejskiej Euro 7 to pierwsza norma emisji spalin, która ogranicza również emisję cząstek z hamulców. Tarcze, klocki i powłoki zmieniają się szybciej, niż przybywa doświadczeń w zakresie Noise, Vibration and Harshness (NVH), czyli hałasu, drgań i szorstkości pracy. Wiarygodna identyfikacja postaci drgań In-Plane staje się zatem warunkiem dopuszczenia nowych par ciernych bez wywoływania nowych problemów z piszczeniem.
Euro 7 zmienia tarcze, klocki i powłoki
Według Komisji Europejskiej Euro 7 to pierwsza norma emisji spalin, która ogranicza również emisję cząstek z hamulców. Obowiązuje dla nowych typów samochodów osobowych i lekkich pojazdów użytkowych od 29 listopada 2026, a dla nowych pojazdów tych kategorii od 29 listopada 2027.
Najważniejsze kierunki zmian to nowe receptury materiałów ciernych, powlekane tarcze z żeliwa szarego i nowe materiały tarcz. Wszystkie wpływają na sztywność, tłumienie i sprzężenie cierne w układzie hamulcowym.
Dlatego działań eliminujących piszczenie hamulców nie można już dobierać metodą prób i błędów. Inżynierowie muszą dokładnie wiedzieć, które postacie drgań tarczy uczestniczą w tym zjawisku. Należą do nich również postacie In-Plane, często pomijane przez tradycyjne metody badań.
Dlaczego postacie drgań In-Plane tarcz hamulcowych mają znaczenie dla piszczenia
Tarcza hamulcowa ma trzy rodziny postaci drgań. W piszczeniu o wysokiej częstotliwości uczestniczą zwykle co najmniej dwie z nich. Każdą rodzinę charakteryzuje liczba średnic węzłowych (n), a w przypadku postaci giętnych dodatkowo liczba okręgów węzłowych (m).
| Dominujący ruch | Wzbudzenie | Typowa rola w powstawaniu pisku | |
|---|---|---|---|
| Out-of-Plane (OOP), giętna postać drgań | Osiowo, prostopadle do powierzchni ciernej | Wahania siły normalnej działającej na okładzinę cierną | Skutecznie emituje dźwięk i stanowi słyszalny składnik sprzężenia |
| In-Plane tangential (IPT), styczna postać drgań w płaszczyźnie tarczy | Wzdłuż obwodu, w płaszczyźnie tarczy | Bezpośrednio przez siłę tarcia | Dostarcza energię do układu i często stanowi składnik napędzający drgania |
| In-Plane radial (IPR), promieniowa postać drgań w płaszczyźnie tarczy | Promieniowo, w płaszczyźnie tarczy | Pośrednio, poprzez geometrię okładziny ciernej i sprzężenie z częścią kapeluszową tarczy hamulcowej | Jej częstotliwość może się zmieniać; może też sprzęgać się z sąsiednimi postaciami drgań |
Poniższe animacje przedstawiają po jednej postaci drgań z każdej z trzech rodzin. Utworzono je na podstawie zmierzonych funkcji odpowiedzi częstotliwościowej (FRF).
Out-of-Plane
2.626 Hz
In-Plane radial
5.989 Hz
In-Plane tangential
12.448 Hz
Sprzężenie postaci drgań jako przyczyna
Kluczowym mechanizmem jest sprzężenie postaci drgań. Pod wpływem tarcia częstotliwości postaci drgań OOP i In-Plane o tej samej liczbie średnic węzłowych mogą zbiec się do jednej wartości, a same drgania mogą stać się niestabilne. Jest to klasyczna przyczyna pisku o wysokiej częstotliwości.
Sprzężona postać drgań In-Plane rzadko jest widoczna w widmie hałasu. To jednak właśnie na nią muszą być ukierunkowane działania eliminujące pisk.
Dlaczego trudno wykryć mody In-Plane
- Blisko położone częstotliwości: W tarczach hamulcowych samochodów osobowych częstotliwości modów In-Plane i OOP podobnego rzędu często różnią się zaledwie o kilkadziesiąt Hertz, a czasem nawet mniej.
- Dodatkowy ruch osiowy: Część kapeluszowa tarczy jest przesunięta względem pierścienia ciernego. Dlatego mody In-Plane wywołują również ruch osiowy powierzchni ciernej i w pomiarze jednoosiowym wyglądają jak kolejny mod giętny.
- Dublety: Każdy mod o n > 0 występuje jako para modów o takim samym kształcie. Żebra chłodzące, otwory i niejednorodności materiału powodują rozszczepienie częstotliwości tych par o kilka Hertz. W rezultacie znacznie rośnie liczba blisko położonych pików.
Dlaczego tradycyjne czujniki mają ograniczenia
Jeśli częstotliwość każdego z dwóch modów mieści się w paśmie drugiego, trudno je rozdzielić wyłącznie na podstawie widma. Można je jednak odróżnić na podstawie kierunku ruchu i jego rozkładu przestrzennego. Tradycyjne czujniki nie rejestrują w pełni obu tych cech.
| Co mierzy | Ograniczenia przy pomiarze modów In-Plane | |
|---|---|---|
| Mikrofon | Ciśnienie akustyczne emitowanego dźwięku w jednym punkcie | Dominuje promieniowanie dźwięku związane z modami OOP, natomiast mody In-Plane emitują dźwięk słabo. Brakuje informacji o rozkładzie przestrzennym i kierunku ruchu, dlatego nie można rozdzielić zlewających się pików. |
| Akcelerometr jedno- lub trójosiowy | Przyspieszenie w niewielu punktach | Dodatkowa masa kilku gramów przesuwa częstotliwości drgań tarczy i zwiększa tłumienie. Niewielka liczba punktów pomiarowych nie pozwala rozróżnić dubletów ani modów o dużej liczbie średnic węzłowych. Bez telemetrii nie można stosować go na obracającej się tarczy. |
| Jednoosiowy skanujący laserowy wibrometr dopplerowski (SLDV) | Prędkość wzdłuż wiązki laserowej | Pomiar bezkontaktowy z gęstą siatką punktów pomiarowych, lecz rejestrujący tylko jeden rzut wektora prędkości. Przy prostopadłym padaniu wiązki mierzony jest ruch osiowy. Mody In-Plane są widoczne jedynie dzięki towarzyszącemu im ruchowi osiowemu i łatwo pomylić je z modami giętnymi. |
Epizody pisku wiążą się z kolejnym problemem: są krótkie i niepowtarzalne. Krótki zapis czasowy ogranicza rozdzielczość częstotliwościową. Dlatego blisko położonych modów nie da się wiarygodnie rozdzielić wyłącznie na podstawie widma.
Wiarygodnym rozwiązaniem jest pomiar wielkości fizycznej pozwalającej odróżnić mody: trójwymiarowego wektora drgań w każdym punkcie tarczy.
Zasada pomiaru w skanującej laserowej wibrometrii dopplerowskiej 3D
Skanujący wibrometr 3D kieruje trzy zsynchronizowane wiązki laserowe z różnych kierunków na ten sam punkt. Każda wiązka mierzy rzut lokalnego wektora prędkości na własną oś. Łącznie trzy pomiary pozwalają odtworzyć pełny wektor bez kontaktu z tarczą.
Naturalnym odniesieniem dla tarczy hamulcowej jest jej oś. Odniesienie wektora w każdym punkcie do tej osi pozwala wyznaczyć trzy składowe służące do klasyfikacji modów tarczy:
- Osiowa: Ruch giętny poza płaszczyznę tarczy.
- Promieniowa: Ruch w płaszczyźnie tarczy w kierunku osi lub od niej.
- Stycznie: Ruch w płaszczyźnie tarczy wzdłuż jej obwodu.
Przebieg pomiaru nieruchomej tarczy hamulcowej
Pełne badanie postaci drgań In-Plane tarczy hamulcowej samochodu osobowego obejmuje sesję pomiarową na nieruchomej tarczy. Następnie przeprowadza się ukierunkowane testy na zamontowanym zespole hamulca koła (Corner) lub na stanowisku do badań hamulców.
Montaż tarczy
Tarczę mocuje się na miękkim zawieszeniu w warunkach swobodny–swobodny lub montuje na piaście.
Import siatki CAD lub FE
Siatka pomiarowa jest generowana w SMART Lab bezpośrednio na podstawie zaimportowanej geometrii CAD lub FE.
Kalibracja 3D
Trzy głowice pomiarowe są automatycznie kalibrowane w trzech wymiarach.
Wzbudzenie i skanowanie
Na potrzeby skanowania tarczę wzbudza się na zewnętrznej krawędzi w kierunku stycznym lub ukośnym za pomocą wzbudnika drgań lub młotka modalnego.
Transformacja z UVW do XYZ
Trzy prędkości zmierzone w kierunkach wiązek trzech głowic pomiarowych (UVW) są przeliczane na współrzędne kartezjańskie (XYZ).
Identyfikacja postaci drgań i korelacja z modelem FE
Dla każdego piku porównuje się mapy odpowiedzi, zlicza średnice węzłowe i koreluje postacie drgań z postaciami własnymi modelu FE.
Sześć wskazówek dotyczących pomiaru postaci drgań In-Plane
- Warunki brzegowe
- Rozpocznij od tarczy na miękkim zawieszeniu w warunkach swobodny–swobodny, aby uzyskać niezakłócone postacie drgań tarczy do korelacji z modelem FE. Następnie powtórz pomiar na piaście lub w zamontowanym zespole hamulca koła, aby wykryć przesunięcia i rozszczepienia częstotliwości wynikające z montażu.
- Kierunek wzbudzenia
- Wzbudzenie osiowe tylko w niewielkim stopniu pobudza postacie drgań In-Plane. Wzbudzaj tarczę na zewnętrznej krawędzi w kierunku stycznym lub ukośnym za pomocą wzbudnika drgań lub młotka modalnego, aby uzyskać odpowiedź wszystkich trzech rodzin postaci drgań.
- Gęstość siatki pomiarowej
- Rozmieść na obwodzie wystarczającą liczbę punktów, aby rozróżnić najwyższą liczbę średnic węzłowych objętą badaniem. Uwzględnij zewnętrzną krawędź, na której ruch promieniowy jest bezpośrednio widoczny.
- Zakres częstotliwości i rozdzielczość
- Obejmij pomiarem cały zakres częstotliwości pisku. Dobierz rozdzielczość częstotliwościową tak, aby rozszczepione dublety oraz blisko położone pary postaci drgań OOP/In-Plane były widoczne jako oddzielne piki.
- Geometria wiązek
- Ustaw trzy głowice pomiarowe pod dużymi kątami względem normalnej do tarczy. Składowe In-Plane wyznacza się na podstawie wiązek padających ukośnie, dlatego większe kąty zapewniają dokładniejsze wyniki pomiarów In-Plane.
- Analiza wyników
- Dla każdego piku porównaj mapy odpowiedzi w kierunku osiowym, promieniowym i stycznym. Policz średnice węzłowe i skoreluj postacie drgań z postaciami własnymi modelu FE.
Co ujawnia skanowanie 3D tarczy hamulcowej
Kluczowym wynikiem skanowania 3D jest rozkład ruchu każdej postaci drgań na kierunki osiowy, promieniowy i styczny. W przypadku typowej tarczy samochodu osobowego z wentylacją wewnętrzną pozwala to ujawnić trzy sytuacje, których nie da się rozróżnić na podstawie samego widma:
- Ukryte pary sprzężonych postaci drgań: Tam, gdzie widmo pokazuje jeden szeroki pik, dane 3D często pozwalają rozpoznać dwie postacie drgań: giętną Out-of-Plane oraz styczną In-Plane o tej samej liczbie średnic węzłowych. Jest to klasyczna para odpowiedzialna za pisk wywołany sprzężeniem postaci drgań. Działania zaradcze muszą być ukierunkowane na postać In-Plane należącą do tej pary.
- Postacie drgań In-Plane przypominające postacie giętne: Ze względu na przesunięcie części kapeluszowej tarczy względem pierścienia ciernego postacie drgań In-Plane wykazują również wyraźny ruch osiowy. W pomiarze jednoosiowym wyglądają jak kolejna postać giętna. Dopiero dominująca składowa In-Plane pozwala je prawidłowo sklasyfikować.
- Rozszczepione dublety: Dwie postacie drgań o tym samym kształcie i nieznacznie różnych częstotliwościach są widoczne jako oddzielne piki. Odstęp między nimi jest bezpośrednim wskaźnikiem asymetrii tarczy i pozwala oceniać układ żeber chłodzących lub zmienność wynikającą z procesu odlewania.
Co identyfikacja postaci drgań zmienia w pracach rozwojowych
Znajomość postaci In-Plane sprzężonej z postacią drgań odpowiedzialną za pisk pozwala opracowywać ukierunkowane działania zaradcze zamiast szukać ich metodą prób i błędów.
| Bez identyfikacji 3D | Z identyfikacją 3D | |
|---|---|---|
| Walidacja modelu FE | Korelowane są tylko postacie giętne, a postacie In-Plane pozostają niezweryfikowane. | Wszystkie trzy rodziny postaci drgań są korelowane za pomocą Modal Assurance Criterion (MAC), który ocenia zgodność postaci własnych, z uwzględnieniem rozszczepienia dubletów. |
| Działania zaradcze przeciw piskowi | Podkładki antywibracyjne, fazowanie i tłumienie są testowane pod kątem ich wpływu na postać drgań wywołującą słyszalny pisk. | Zmiany geometrii lub materiału mają na celu rozdzielenie rzeczywiście sprzężonej pary postaci drgań. |
| Pary cierne zgodne z Euro 7 | Każda nowa powłoka lub mieszanka materiału ciernego wymaga pełnej macierzy badań hałasu, aby wykryć potencjalne problemy. | Przesunięcia częstotliwości modalnych poszczególnych wariantów tarcz mierzy się i porównuje przed badaniami na stanowisku testowym. |
| Warianty tarcz i dostawcy | Różnice ujawniają się dopiero na późnym etapie, w postaci reklamacji gwarancyjnych. | Odstęp częstotliwości między modami dubletu i częstotliwości In-Plane służą jako wskaźniki jakości. |
Największe korzyści uzyskuje się na wczesnym etapie prac rozwojowych związanych z Euro 7. Przy wprowadzaniu powłoki ograniczającej emisję lub nowego materiału tarczy skan 3D starej i nowej tarczy pozwala w ciągu jednego dnia, ustalić, czy częstotliwość modu In-Plane zbliżyła się do częstotliwości sąsiedniego modu giętnego. Ryzyko to można wyeliminować poprzez zmiany konstrukcyjne jeszcze przed wykonaniem pierwszej macierzy badań hałasu na stanowisku do badania hamulców.
Systemy zalecane do pomiarów tarcz hamulcowych
SMART 3D-Scan
SMART 3D-Scan z opcją analizy modalnej w SMART Lab umożliwia pełną identyfikację modów In-Plane i korelację FE.
View product
SMART Scan+
SMART Scan+ umożliwia szybkie skanowanie za pomocą jednej głowicy pomiarowej, gdy potrzebne są wyłącznie mody giętne.
View product
SMART Multi-Fiber
SMART Multi-Fiber lub SMART 3D-Fiber rejestruje wszystkie punkty jednocześnie podczas tego samego epizodu piszczenia.
View productŹródła i literatura
W odniesieniu do emisji z hamulców norma Euro 7 odsyła do procedury badawczej określonej w regulaminie ONZ nr 179 (UN R179), stanowiącym rozwinięcie UN GTR nr 24 (UN Global Technical Regulation nr 24). Zmianę tę wprowadza rozporządzenie delegowane (EU) 2026/1214, obowiązujące od 23 września 2026 r.
- Rozporządzenie (EU) 2024/1257 (Euro 7) w serwisie EUR-Lex
- HELLA: Jakie wyzwania norma emisji spalin Euro 7 stawia producentom hamulców. Artykuł opisuje dopuszczalne wartości emisji cząstek o średnicy poniżej 10 mikrometrów (PM10) z hamulców oraz procedurę badawczą GTR 24 według stanu sprzed przejścia na UN R179.
Literatura
Kinkaid, N. M., O'Reilly, O. M., Papadopoulos, P.: Automotive disc brake squeal. Journal of Sound and Vibration 267(1), 105–166 (2003). Przegląd mechanizmów powstawania pisku, w tym sprzężenia postaci drgań.
Chen, F., Tan, C. A., Quaglia, R. L. (red.): Disc Brake Squeal: Mechanism, Analysis, Evaluation, and Reduction/Prevention. SAE International, 2006.