Отчёт о применении
Идентификация In-Plane-мод тормозных дисков с помощью 3D-сканирующей виброметрии
Скрип тормозов чаще всего возникает при взаимодействии Out-of-Plane-моды и In-Plane-моды тормозного диска, частоты которых нередко различаются всего на несколько десятков герц: микрофоны и одноосевые датчики регистрируют один объединённый пик. 3D-сканирующая виброметрия измеряет полный вектор колебаний в каждой точке измерительной сетки, разделяет осевую, радиальную и тангенциальную составляющие и позволяет однозначно классифицировать каждую моду.
По данным Европейской комиссии, Euro 7 впервые вводит ограничения не только на выхлопные выбросы, но и на частицы, образующиеся при торможении. Диски, колодки и покрытия меняются быстрее, чем накапливается опыт оценки Noise, Vibration and Harshness (NVH) — шума, вибрации и жёсткости хода. Поэтому надёжная идентификация In-Plane-мод становится необходимым условием допуска новых пар трения к применению без появления новых проблем со скрипом.
Euro 7 меняет требования к дискам, колодкам и покрытиям
По данным Европейской комиссии, Euro 7 — первый стандарт выхлопных выбросов, который также ограничивает выбросы частиц от тормозов. Он применяется к новым типам легковых автомобилей и лёгких коммерческих автомобилей с 29 ноября 2026 года, а ко всем новым автомобилям этих категорий — с 29 ноября 2027 года.
Основные направления изменений — новые составы фрикционных материалов, диски из серого чугуна с покрытием и новые материалы дисков. Все они влияют на жёсткость, демпфирование и взаимодействие через силы трения в тормозной системе.
Поэтому меры по устранению скрипа тормозов уже нельзя подбирать методом проб и ошибок. Инженерам необходимо точно знать, какие моды тормозного диска участвуют в возникновении скрипа. Это относится и к In-Plane-модам, которые традиционные методы испытаний часто не выявляют.
Почему In-Plane-моды тормозных дисков важны при анализе скрипа
У тормозного диска есть три семейства мод. В возникновении высокочастотного скрипа обычно участвуют как минимум два из них. Каждое семейство характеризуется числом узловых диаметров (n), а для изгибных мод — дополнительно числом узловых окружностей (m).
| Преобладающее движение | Возбуждение | Типичная роль в возникновении скрипа | |
|---|---|---|---|
| Out-of-Plane (OOP), изгибная мода | В осевом направлении, перпендикулярно поверхности трения | Колебания нормальной силы прижатия колодки | Эффективно излучает звук и является слышимой составляющей пары мод |
| In-Plane tangential (IPT), тангенциальная мода в плоскости диска | Вдоль окружности, в плоскости диска | Непосредственно силой трения | Подводит энергию к системе и часто служит движущей составляющей пары мод |
| In-Plane radial (IPR), радиальная мода в плоскости диска | В радиальном направлении, в плоскости диска | Косвенно, за счёт геометрии колодки и связи с центральной частью тормозного диска | Может изменять свою частоту или взаимодействовать с соседними модами |
В следующих анимациях показано по одной моде из каждого из трёх семейств мод. Анимации созданы на основе измеренных частотных передаточных функций (FRF).
Out-of-Plane
2.626 Hz
In-Plane radial
5.989 Hz
In-Plane tangential
12.448 Hz
Взаимодействие мод как причина скрипа
Ключевой механизм — взаимодействие мод. Под действием трения частоты моды OOP и моды In-Plane с одинаковым числом узловых диаметров могут сближаться вплоть до совпадения, а сами моды — становиться неустойчивыми. Это классическая причина высокочастотного скрипа.
Мода In-Plane, участвующая в этом взаимодействии, редко проявляется в спектре шума. Однако именно на неё должны быть направлены меры по устранению скрипа.
Почему трудно выявить In-Plane-моды
- Близкие частоты: У тормозных дисков легковых автомобилей частоты In-Plane- и OOP-мод близкого порядка часто различаются всего на несколько десятков герц, а иногда и меньше.
- Дополнительное осевое движение: Центральная часть диска смещена относительно фрикционного кольца. Поэтому In-Plane-моды вызывают также осевое движение поверхности трения и при одноосевом измерении выглядят как ещё одна изгибная мода.
- Дублеты: Каждая мода с n > 0 существует в виде пары мод одинаковой формы. Рёбра охлаждения, отверстия и неоднородности материала вызывают расщепление частот этих пар на несколько герц. В результате число близко расположенных пиков многократно возрастает.
Почему возможности традиционных датчиков ограничены
Если частота каждой из двух мод попадает в полосу частот другой, разделить их по одному лишь спектру сложно. Однако их можно различить по направлению движения и его пространственному распределению. Традиционные датчики не позволяют получить полную информацию об обеих характеристиках.
| Что измеряет датчик | Ограничения при измерении In-Plane-мод | |
|---|---|---|
| Микрофон | Звуковое давление излучаемого звука в одной точке | Доминирует излучение OOP-мод, тогда как In-Plane-моды излучают звук слабо. Информация о пространственном распределении и направлении движения отсутствует, поэтому разделить слившиеся пики невозможно. |
| Акселерометр, одноосевой или трёхосевой | Ускорение в нескольких точках | Дополнительная масса в несколько граммов смещает собственные частоты диска и увеличивает демпфирование. Малое число точек измерения не позволяет различить дублеты или разрешить формы колебаний с большим числом узловых диаметров. На вращающемся диске без телеметрии такой датчик использовать невозможно. |
| Одноосевой сканирующий лазерный доплеровский виброметр (SLDV) | Скорость вдоль лазерного луча | Бесконтактное измерение с плотной сеткой точек, но лишь одной проекции скорости. При перпендикулярном падении луча регистрируется осевое движение. In-Plane-моды проявляются только за счёт сопутствующего осевого движения, поэтому их легко спутать с изгибными модами. |
При возникновении тормозного скрипа появляется ещё одна проблема: такие события кратковременны и невоспроизводимы. Короткая запись сигнала ограничивает частотное разрешение. Поэтому близкие по частоте моды нельзя надёжно разделить по одному лишь спектру.
Надёжный подход — измерять физическую величину, позволяющую различить моды: трёхмерный вектор колебаний в каждой точке диска.
Принцип измерения методом 3D-сканирующей лазерной доплеровской виброметрии
3D-сканирующий виброметр направляет три синхронизированных лазерных луча с разных направлений в одну и ту же точку. Каждый луч измеряет проекцию локального вектора скорости на собственную ось. Три измерения вместе позволяют восстановить полный вектор без контакта с диском.
Естественная основа системы координат тормозного диска — его ось. Если выразить вектор в каждой точке относительно этой оси, получим три компоненты для классификации мод диска:
- Осевая: изгибное движение из плоскости диска.
- Радиальная: движение в плоскости диска к оси или от неё.
- Тангенциальное: движение в плоскости диска вдоль окружности.
Порядок измерений на неподвижном тормозном диске
Полное исследование мод In-Plane тормозного диска легкового автомобиля включает серию измерений на неподвижном диске. Затем проводят целевые испытания тормозного механизма в составе колёсного узла (Corner) или на тормозном испытательном стенде.
Установка диска
Диск устанавливают на мягком подвесе со свободными граничными условиями или закрепляют на ступице.
Импорт сетки CAD или FE
Измерительная сетка создаётся в SMART Lab непосредственно на основе импортированной геометрии CAD или FE.
3D-калибровка
Три измерительные головки автоматически калибруются в трёхмерном пространстве.
Возбуждение и сканирование
Для сканирования колебания диска возбуждают по внешнему краю в тангенциальном направлении или под углом с помощью вибровозбудителя или ударного молотка.
Преобразование из UVW в XYZ
Три скорости, измеренные вдоль направлений лучей трёх измерительных головок (UVW), преобразуются в компоненты скорости в декартовой системе координат (XYZ).
Идентификация мод и сопоставление с моделью FE
Для каждого пика сравнивают карты отклика, подсчитывают узловые диаметры и сопоставляют моды с собственными формами колебаний модели FE.
Шесть рекомендаций по измерению мод In-Plane
- Граничные условия
- Начните с диска на мягком подвесе со свободными граничными условиями, чтобы получить отчётливые собственные формы колебаний диска для сопоставления с моделью FE. Затем повторите измерения на ступице или в составе собранного колёсного тормозного узла, чтобы выявить смещение частот и расщепление мод, вызванные установкой.
- Направление возбуждения
- Осевое возбуждение практически не возбуждает моды In-Plane. Возбуждайте колебания диска по внешнему краю в тангенциальном направлении или под углом с помощью вибровозбудителя или ударного молотка, чтобы получить отклик всех трёх семейств мод.
- Плотность измерительной сетки
- Расположите по окружности достаточно измерительных точек, чтобы различить максимальное интересующее вас число узловых диаметров. Включите в сетку внешний край, где радиальное движение можно наблюдать непосредственно.
- Частотный диапазон и разрешение
- Охватите весь частотный диапазон скрипа. Выберите достаточно высокое частотное разрешение, чтобы расщеплённые дублеты и близко расположенные пары мод OOP/In-Plane отображались как отдельные пики.
- Геометрия лазерных лучей
- Расположите три измерительные головки под большими углами к нормали диска. Компоненты In-Plane определяются по наклонно падающим лучам, поэтому большие углы обеспечивают более точные результаты для In-Plane.
- Анализ результатов
- Для каждого пика сравните карты отклика в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях. Подсчитайте узловые диаметры и сопоставьте моды с собственными формами колебаний FE-модели.
Что позволяет увидеть 3D-сканирование тормозного диска
Главный результат 3D-сканирования — распределение движения каждой моды по осевому, радиальному и тангенциальному направлениям. На типичном диске легкового автомобиля с внутренней вентиляцией это позволяет выявить три ситуации, которые невозможно различить по одному лишь спектру:
- Скрытые пары связанных мод: Там, где спектр показывает один широкий пик, 3D-данные часто позволяют различить две моды: изгибную моду Out-of-Plane и тангенциальную моду In-Plane с одинаковым числом узловых диаметров. Это типичная пара, вызывающая скрип вследствие связи мод. Меры по устранению скрипа должны быть направлены на моду In-Plane в этой паре.
- Моды In-Plane, похожие на изгибные: Из-за смещения ступичной части диска относительно фрикционного кольца моды In-Plane также имеют выраженную осевую составляющую движения. При одноосевом измерении они выглядят как ещё одна изгибная мода. Только преобладающая составляющая In-Plane позволяет правильно определить их тип.
- Расщеплённые дублеты: Две моды с одинаковой формой и немного различающимися частотами отображаются как отдельные пики. Расстояние между ними напрямую указывает на асимметрию диска и позволяет оценивать схемы расположения охлаждающих рёбер или вариации, обусловленные литьём.
Как идентификация мод меняет процесс разработки
Зная, какая мода In-Plane связана с модой, вызывающей скрип, можно целенаправленно разрабатывать меры по его устранению, вместо того чтобы искать их методом проб и ошибок.
| Без 3D-идентификации | С 3D-идентификацией | |
|---|---|---|
| Валидация FE-модели | Сопоставляются только изгибные моды, а моды In-Plane остаются непроверенными. | Все три семейства мод сопоставляются с помощью Modal Assurance Criterion (MAC), оценивающего соответствие собственных форм колебаний; при этом учитывается и расщепление дублетов. |
| Меры по устранению скрипа | Противоскрипные пластины (Shims), фаски и демпфирование испытывают на моде, создающей слышимый скрип. | Изменения геометрии или материала направлены на разнесение частот фактически связанных мод. |
| Пары трения для Euro 7 | Для каждого нового покрытия или состава тормозных накладок необходима полная матрица шумовых испытаний, позволяющая выявить проблемы. | Смещение собственных частот у различных вариантов дисков измеряют и сравнивают до начала стендовых испытаний. |
| Варианты дисков и поставщики | Различия выявляются слишком поздно — уже при обращениях по гарантии. | Частотное расщепление дублетов и частоты In-Plane служат показателями качества. |
Наибольшую пользу измерения приносят на ранних этапах разработки в рамках Euro-7. При внедрении покрытия с низким уровнем выбросов или нового материала диска 3D-сканирование старого и нового дисков позволяет в течение одного дня, определить, сблизилась ли мода In-Plane с соседней изгибной модой. Этот риск можно устранить конструктивными мерами ещё до проведения первой матрицы шумовых испытаний на тормозном стенде.
Рекомендуемые системы для измерений на тормозных дисках
SMART 3D-Scan
SMART 3D-Scan с опцией модального анализа в SMART Lab для полной идентификации мод In-Plane и корреляции с FE-моделью.
View product
SMART Scan+
SMART Scan+ позволяет быстро выполнять сканирование одной измерительной головкой, когда требуется исследовать только изгибные моды.
View product
SMART Multi-Fiber
SMART Multi-Fiber или SMART 3D-Fiber регистрирует данные во всех точках одновременно в течение одного и того же эпизода тормозного визга.
View productИсточники и литература
В отношении выбросов от тормозов Euro 7 ссылается на методику испытаний по Правилам ООН № 179 (UN R179), разработанную на основе UN GTR № 24 (Глобальные технические правила ООН № 24). Этот переход предусмотрен Делегированным регламентом (EU) 2026/1214, вступившим в силу 23 сентября 2026 года.
- Регламент (EU) 2024/1257 (Euro 7) на EUR-Lex
- HELLA: какие требования стандарт выбросов Euro 7 предъявляет производителям тормозов. В статье описаны предельные значения выбросов частиц диаметром менее 10 микрометров (PM10), образующихся при торможении, и методика испытаний GTR 24 в редакции до перехода на UN R179.
Литература
Kinkaid, N. M., O'Reilly, O. M., Papadopoulos, P.: Automotive disc brake squeal. Journal of Sound and Vibration 267(1), 105–166 (2003). Обзор механизмов возникновения скрипа, включая связь мод колебаний.
Chen, F., Tan, C. A., Quaglia, R. L. (ред.): Disc Brake Squeal: Mechanism, Analysis, Evaluation, and Reduction/Prevention. SAE International, 2006.