Frequency and time simulation of squeal instabilities. Application to the design of industrial automotive brakes.
Simulation fréquentielle et temporelle du crissement. Application à la conception de freins automobiles industriels.
Abstract
Brake squeal is a common noise problem encountered in the automotive industry. Higher friction coefficients and weight reduction recently led to higher vibration levels in the audible frequency range. This quality issue becomes economic due to penalties imposed to the brake supplier although no robust design method exists. The industrial practice thus relies on costly prototyping and adjustment phases. The evolution of computational power allows computation of large mechanical assemblies, but non-linear time simulations generally remain out of reach. In this context, the thesis objective is to provide numerical tools for squeal resolution at early design stages. Parameterized reduction methods are developed, using system real modes as Rayleigh-Ritz vectors, and allow very compact reduced models with exact real modes. The proposed Component Mode Tuning method uses the components free/free modes as explicit degrees of freedom. This allows very quick sensitivity computation and reanalyzes of an assembly as function of local component-wise parameters. Non-linear time simulations are made possible through two ingredients. A modified non-linear implicit Newmark scheme and a fixed Jacobian are adapted for contact vibrations. The brake is reduced keeping a superelement with exact real modes and a local non-linear finite element model in the vicinity of the pad/disc interaction. A set of design tools is illustrated for a full industrial brake model. First, instant stability computations and complex mode trajectories are studied. Modal interactions and non-linear phenomena inside the limit cycles are thus well understood. Time/frequency correlations are performed using transient modal identification and space-time decomposition. A time domain modal damping model is also shown to be very useful. The modification of a critical component for squeal resolution is finally tested and validated.
Le crissement de frein est une nuisance sonore classique dans l'automobile. L'augmentation des coefficients de friction et la réduction de la masse mènent aujourd'hui à de hauts niveaux vibratoires dans les fréquences auditives, et ces problèmes de qualité se traduisent par des pénalités économiques aux équipementiers, bien qu'il n'existe pas de méthode robuste de conception. La pratique industrielle repose donc sur de coûteuses phases de prototypage et d'ajustement. L'évolution de la puissance de calcul permet le calcul de grands assemblages mécaniques mais les études vibratoires non-linéaires restent généralement hors de portée. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de fournir, dès les phases de conception, des outils de conception numérique d'aide à la résolution du crissement. Une méthode de réduction paramétrée utilisant comme base de Rayleigh-Ritz les modes réels du système assemblé permet la génération de modèles réduits très compacts, avec modes réels exacts. La méthode proposée d'ajustement des modes de composants utilise les modes libres de composants comme degrés de liberté explicites. L'étude des sensibilités et la réanalyse d'un assemblage en fonction de modifications à l'échelle d'un composant deviennent possibles. Les études temporelles non-linéaires sont rendues possibles par deux développements. Un schéma de Newmark non-linéaire modifié et un Jacobien fixe adapté aux vibrations de contact sont introduits. Le frein est réduit en un superélément avec modes réels exacts et une zone non réduite au niveau du contact. Un ensemble d'outils de conception est illustré sur un modèle industriel de frein. La stabilité instantanée et les trajectoires de modes complexes sont étudiées. Les interactions modales et les phénomènes non-linéaires au sein des cycles limites sont alors mieux compris. Des corrélations temps/fréquence sont obtenues par l'identification modale instantanée et une décomposition espace-temps. La grande utilité d'un modèle temporel d'amortissement modal est illustrée. Enfin, la modification d'un composant critique au crissement est testée et validée.