Brake squeal is an old and well-known problem in the vehicle industry and is a frequent source for customer complain. Although, brake squeal is not usually affecting the performance of the brakes, it is still important to address the problem and to predict the brakes tendency to squeal on an early stage in the design process. Brake squeal is usually defined as a sustained, high-frequency vibration of the brake components, due to the braking action. By using simulation in finite element (FE) method it should be possible to predict at what frequencies the brakes tend to emit sound. The method chosen for the analysis was the complex eigenvalues analysis (CEA) method, since it is a well-known tool to predict unstable modes in FE analysis. The results from the CEA were evaluated against measured data from an earlier study. Even though there are four main mechanism formulated in order to explain the up come of squeal, the main focus in this project was modal coupling, since it is the main mechanism in the CEA. A validation of the key components in model was performed before the analysis, in order to achieve better correlation between the FE model and reality. A parametric study was conducted with the CEA, to investigate how material properties and operating parameters effected the brakes tendency to squeal. The following parameters was included in the analysis; coefficient of friction, brake force, damping, rotational velocity, and Young’s modulus for different components. The result from the CEA did not exactly reproduce the noise frequencies captured in experimental tests. The discrepancy is believed to mainly be due to problems in the calibration process of the components in the model. The result did however show that the most effective way to reduce the brakes tendency for squeal was to lower the coefficient of friction. The effect of varying the Young’s modulus different components showed inconsistent results on the tendency to squeal. By adding damping one of the main disadvantages for the CEA, which the over-prediction of the number of unstable modes, where minimized.

Afin d'améliorer la qualité des produits et tendre vers des conceptions fiables et robustes, la simulation numérique joue de nos jours un rôle clé dans de nombreux secteurs de l'ingénierie. Malgré l'utilisation de modèles de plus en plus complexes et réalistes, les corrélations entre les mesures expérimentales et les simulations déterministes ne s'avèrent pas toujours évidentes, en particulier, si le phénomène observé est de nature fugace. Afin de prendre en compte les variations possibles de comportement, des techniques de tirages multiples comme les plans d'expériences, les analyses de sensibilité ou les approches non déterministes peuvent être exploitées. Cependant, ces simulations avancées conduisent inévitablement à des temps de calcul prohibitifs qui ne sont pas en adéquation avec des phases de conception de plus en plus courtes.L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles stratégies de résolution pour les problèmes mécaniques, où la non-linéarité de contact frottant et des variations sur les paramètres du modèle numérique sont considérés en même temps. Pour y parvenir, nous avons, dans un premier temps, étudié l'intégration de contrôleurs, basés sur la logique floue, pour résoudre un problème de contact frottant. L'idée proposée est de transformer le problème non linéaire en un ensemble de problèmeslinéaires de tailles réduites que l'on peut réanalyser grâce des développements homotopiques et des techniques de projection. Dans un second temps, nous avons étendu la démarche proposée au cas des problèmes de vibrations induites par le frottement comme le crissement. / To improve the quality of products and tend to reliable and robust designs, numerical simulations have nowadays taken a key role in many engineering domains. In spite of more complex and realistic numerical models, the correlation between a deterministic simulation and experimentations are not obvious, especially if the observed phenomenon have a fugitive nature. To take into account possible evolutions of behaviour, multiple samplings techniques such as designs of experiments, sensitivity analyses or non-deterministic approaches are currently performed. Nevertheless, these advanced simulations necessarily generate prohibitive computational times, which are not compatible with more and more shorter design steps.The aim of this work is to explore new numerical ways to solve mechanical problems including both the contact nonlinearity, the friction and several variability on model parameters. To achieve this objective, the integration of Fuzzy Logic Controllers has been first studied in the case of static frictional contact problems. The proposed idea is to decompose the non linear problem in a set of reduced linear problems. These last ones can be reanalyzed thanks to homotopy developments and projection techniques as a function of introduced perturbations. Second, the proposed strategy has been extended to the case of friction induced vibrations problems such as squeal.

Lors de la conception d’un frein, le confort et le bien-être du consommateur font partie des critères principaux. En effet, les instabilités de crissement, qui engendrent une des pollutions acoustiques les plus importantes, représentent un challenge actuel pour la communauté scientifique et les industriels du domaine. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la mise en évidence du caractère variable du crissement, observé pour deux systèmes de freinage d’un même véhicule, grâce à des plans d’expériences, expérimental et numérique. Pour être représentatif d’une famille de structures, il est désormais indéniable qu’il faille prendre en compte les variabilités observées sur de multiples paramètres liés au système étudié dès la phase de conception. L’enrichissement des simulations déterministes actuelles nécessite la mise en place d’outils non déterministes rapides et respectant le conservatisme des solutions étudiées. Pour ce faire, nous avons contribué au développement de méthodes numériques dédiées à la propagation des données floues dans le cas des graphes de coalescence, à la détermination des positions d’équilibre de corps en contact frottant à partir d’une méthode de régulation basée sur la logique floue. Cette solution permet d’appliquer une technique de projection pour réduire le coût numérique en utilisant des bases modales des composants réanalysées par un développement homotopique. / During a brake design, consumer comfort and well-being are the main criteria. Indeed, squeal instabilities, that produce main acoustic pollution, represent a current challenge in the scientific community and for industrials. In this thesis, we interest first in the highlight of the variability of squeal, observed for two brake systems of a same vehicle, thanks to experimental and numerical designs of experiments. To be representative of a structure family, it is now undeniable that we must take into account variability observed in various parameters of the studied system, from the design phase. To enrich existing deterministic simulations, quick non deterministic tools must be established, respecting the studied solutions conservatism. For this, we have contributed to the development of numerical methods to propagate fuzzy data in the case of diagram of coalescence, to determine the equilibrium position of frictional contact bodies with a fuzzy logic controller. This solution allows to apply a projection technique for reducing the computational cost. The modal bases of components are reanalyzed by homotopy perturbation.

Le crissement de frein est une nuisance sonore qui représente des coûts importants pour l'industrie automobile. Il tire son origine dans des phénomènes complexes à l'interface frottante entre les plaquettes de frein et le disque. L'analyse de stabilité reste aujourd'hui la méthode privilégiée dans l'industrie pour prédire la stabilité d'un système de frein malgré ses aspects sur- et sous-prédictifs.Afin de construire un système de frein robuste, il est nécessaire de trouver la technologie qui permette de limiter les instabilités malgré certains paramètres incertains présents dans le système. Ainsi, l'un des objectifs de la thèse est de développer une méthode permettant de traiter et de propager l'incertitude et la variabilité de certains paramètres dans le modèle éléments finis de frein avec des coûts numériques abordables.Dans un premier temps, l'influence d'un premier groupe de paramètres correspondant à des contacts internes au système a été étudiée afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu et leurs impacts sur le phénomène de crissement. Une approche basée sur l'utilisation d'un algorithme génétique a été également mise en place afin d'identifier le jeu de paramètres le plus défavorable en terme de propension au crissement sur le système.Dans un second temps, différentes méthodes de méta-modélisation ont été proposées afin de prédire la stabilité du système de frein en fonction de différents paramètres qui peuvent être des paramètres de conception ou des paramètres incertains liés à l'environnement du système.Dans un troisième temps, une méthode d'analyse non-linéaire complémentaire de l'analyse de stabilité a été proposée et développée. Elle se base sur le suivi de la stabilité d'une solution vibratoire approchée et permet d'identifier les modes instables présents dans la réponse dynamique du système. Cette méthode a été appliquée sur un modèle simple avant d'illustrer sa faisabilité sur le modèle éléments finis de frein complet. / Brake squeal is a noise nuisance that represents significant costs for the automotive industry. It originates from complex phenomena at the frictional interface between the brake pads and the disc. The stability analysis remains the preferred method in the industry today to predict the stability of a brake system despite its over- and under-predictive aspects.In order to build a robust brake system, it is necessary to find the technology that limits instabilities despite some uncertain parameters present in the system. Thus, one of the main objectives of the PhD thesis is to develop a method to treat and propagate the uncertainty and variability of some parameters in the finite element brake model with reasonable numerical costs.First, the influence of a first group of parameters corresponding to contacts within the system was studied in order to better understand the physical phenomena involved and their impacts on the squealing phenomenon. An approach based on the use of a genetic algorithm has also been implemented to identify the most unfavourable set of parameters in terms of squeal propensity on the brake system.In a second step, different meta-modelling methods were proposed to predict the stability of the brake system with respect to different parameters that may be design parameters or uncertain parameters related to the environment of the brake system.In a third step, a non-linear analysis method complementary to the stability analysis was proposed and developed. It is based on the tracking of the stability of an approximate vibrational solution and allows the identification of unstable modes present in the dynamic response of the system. This method was applied to a simple academic model before demonstrating its feasibility on the complete industrial brake finite element model under study.

Die Kontaktverhältnisse zwischen Reifen und Fahrbahn bestimmen die maximal übertragbaren Beschleunigungs-, Brems- und Seitenkräfte des Fahrzeugs und sind daher für die Fahrsicherheit von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein Modell zur numerisch effizienten Simulation der hochfrequenten Dynamik einzelner Reifenprofilblöcke entwickelt. Der vorgestellte Modellansatz nutzt einerseits die Vorteile der Finite-Elemente-Methode, welche die Bauteilstruktur detailliert auflösen kann, bei der jedoch lange Rechenzeiten in Kauf genommen werden. Andererseits profitiert der vorgestellte Modellansatz von den Vorteilen stark vereinfachter Mehrkörpersysteme, welche die Berechnung der hochfrequenten Dynamik und akustischer Phänomene erlauben, jedoch strukturdynamische Effekte und das Kontaktverhalten in der Bodenaufstandsfläche des Reifens nur begrenzt abbilden können. Das hier vorgestellte Modell berücksichtigt in einem modularen Ansatz die Effekte der Strukturdynamik, der lokalen Reibwertcharakteristik, der nichtlinearen Wechselwirkungen durch den Kontakt mit der rauen Fahrbahnoberfläche und des lokalen Verschleißes. Die erforderlichen Modellparameter werden durch geeignete Experimente bestimmt. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung reibungsselbsterregter Profilblockschwingungen bei Variation der Modell- und Prozessparameter. Zur realistischen Betrachtung des Reifenprofilblockverhaltens erfolgt eine Erweiterung des Modells um eine Abrollkinematik, die tiefere Einblicke in die dynamischen Vorgänge in der Bodenaufstandsfläche des Reifens ermöglicht. Diese Simulationen lassen eine Zuordnung der aus der Literatur bekannten zeitlichen Abfolge von Einlaufphase, Haftphase, Gleitphase und Ausschnappphase zu. Es zeigen sich bei bestimmten Kombinationen aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Schlupfwert ausgeprägte Stick-Slip-Schwingungen im akustisch relevanten Frequenzbereich. Das Modell erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Profilblockgeometrie, der Materialparameter, der Fahrbahneigenschaften sowie der Betriebszustände auf den resultierenden Reibwert, auf das lokale Verschleißverhalten sowie auf das Auftreten hochfrequenter reibungsselbsterregter Schwingungen. Somit ermöglicht das Modell ein vertieftes Verständnis der Vorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Struktur- und Kontaktmechanik. Es kann eine Basis für zukünftige Optimierungen des Profilblocks zur Verbesserung wesentlicher Reifeneigenschaften wie Kraftschlussverhalten, Verschleiß und Akustik bilden. / The contact conditions between tyre and road are responsible for the maximum acceleration, braking and side forces of a vehicle. Therefore, they have a large impact on the driving safety. Within this work a numerically efficient model for the simulation of the high-frequency dynamics of single tyre tread blocks is developed. The presented modelling approach benefits the advantage of the finite element method to resolve the component structure in detail. However, a long computation time is accepted for these finite element models. Moreover, the presented modelling approach makes use of the advantage of simplified multibody systems to calculate the high-frequency dynamics and acoustic phenomena. However, structural effects and the contact behaviour in the tyre contact patch can be covered only to a minor degree. The model treated here considers the effects of structural dynamics, the local friction characteristic, the non-linear interaction due to the contact with the rough road surface and local wear. The required model parameters are determined by appropriate experiments. One focus of this work is the investigation of self-excited tread block vibrations under variation of the model and process parameters. In order to realistically investigate the tread block behaviour the model is extended with regard to rolling kinematics which provides a deeper insight into the dynamic processes in the tyre contact patch. The corresponding simulations allow the allocation of the run-in phase, sticking phase, sliding phase and snap-out which is reported in the literature. For certain combinations of vehicle velocity and slip value pronounced stick-slip vibrations occur within the acoustically relevant frequency range. The model enables to study the influence of the tread block geometry, the material properties, the road surface characteristics and the operating conditions on the resulting tread block friction coefficient, local tread block wear and the occurrence of high-frequency self-excited vibrations. The simulation results provide a distinct understanding of the processes in the tyre/road contact and the interactions between structural mechanics and contact mechanics. They can be a basis for future tread block optimisations with respect to essential tyre properties such as traction, wear and acoustic phenomena.

Les bruits automobiles induits par le frottement sont à l’origine de nombreuses plaintes clients et occasionnent des coûts de garantie considérables pour les constructeurs automobiles. Les objectifs de la thèse consistent à comprendre la physique à l’origine de ces bruits et proposer des méthodologies de simulation afin de les éradiquer. Un système générique est tout d’abord étudié. Ce système discret met en jeu un contact entre deux masses et une loi de frottement de Coulomb présentant une discontinuité à vitesse relative nulle. Des calculs de valeurs propres complexes de ce système linéarisé autour de sa position d’équilibre glissant sont menés et montrent la présence d’instabilités par flottement voire par divergence. Les simulations temporelles montrent quant à elles que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser les niveaux vibratoires en cas d’instabilité selon quatre régimes distincts. De plus, malgré ses trois degrés de liberté, ce système est capable de reproduire les mécanismes de stick-slip, sprag-slip et couplage modal ainsi que les bruits de crissement, grincement et craquement rencontrés sur les systèmes automobiles. Des études paramétriques sont également présentées et mettent en avant des bifurcations de Hopf ainsi que l’effet déstabilisant potentiellement induit par l’amortissement. Des méthodologies permettant de catégoriser les réponses en termes de bruit et de mécanisme sont par la suite proposées. Les occurrences et risques de ces derniers sont alors analysés et des tendances sont dégagées. Enfin, la relation entre les bruits et les mécanismes est établie. L’attention est ensuite portée sur un système automobile particulier. Afin d’étudier son comportement crissant, les analyses de stabilité et les simulations temporelles sont désormais menées sur des modèles éléments-finis. Les simulations temporelles permettent d’observer l’établissement de vibrations auto-entretenues et d’identifier, parmi tous les modes instables prédits lors des analyses de stabilité, celui qui est réellement à l’origine de l’instabilité. L’effet du coefficient de frottement sur les motifs de coalescence et les cycles limites est également investigué. Le risque de crissement est ensuite évalué pour des conditions d’utilisation variées du système. La méthodologie, basée sur des analyses de stabilité, permet de retrouver les principaux constats expérimentaux obtenus sur banc d’essai. Le rôle des géométries et des matériaux constituant le système est également discuté. Enfin, une solution permettant de réduire de façon significative le risque de crissement est proposée. / Automotive friction-induced noises are the source of many customer complaints and lead to hugewarranty costs for car manufacturers. The objectives of the thesis are to improve the understanding ofthe physics at the origin of these noises and to propose numerical methodologies to eradicate them.A generic system is first investigated. This discrete system includes a contact between two masses anda Coulomb friction law with a discontinuity at zero relative velocity. Calculations of complex eigenvaluesof the linearized system around its sliding equilibrium position are carried out and show the presence offlutter and even divergence instabilities. Time simulations show that contact non-linearities permit tostabilize the vibrational levels in case of instability according to four distinct behaviors. Furthermore,despite its three degrees of freedom, this system is able to reproduce the stick-slip, sprag-slip and modecouplingmechanisms as well as the squeal, squeak and creak noises encountered in automotive systems.Parametric studies are also presented and highlight Hopf bifurcations as well as the destabilizing effectpotentially induced by damping. Methodologies allowing the categorization of the responses in termsof noise and mechanism are then proposed. Occurrences and risks of these noises and mechanismsare thus analyzed and trends are highlighted. The relationship between noises and mechanisms is alsoestablished.A specific automotive system is then considered. In order to study its squeal behavior, stabilityanalysis and time simulations are now carried out on finite element models. Time simulations allowto observe the establishment of self-excited vibrations and to identify, among all the unstable modespredicted by the stability analysis, the one which is actually the source of the instability. The effectof friction on the coalescence patterns and limit cycles is also investigated. The risk of squeal is thenevaluated in different operating conditions. The methodology, based on stability analysis, leads toresults in good agreement with the experimental observations. The role of geometries and materialsconstituting the system is also discussed. Finally, a solution with significantly low risk of squeal isproposed.

This thesis deals with computational modeling of curve squeal noise phenomena which occurs during cornering tight curves by trams. Lateral creep between rail and wheel and slip-stick phenomena leads to self-excited vibrations of the wheel which, therefore, emits unpleasant high-pitched noise. Two FEM models in frequency domain are carried out. First model is based on prestressed modal analysis. Due to unsymmetric stiffness matrix, unstable eigenvalues can occur. It is assumed that self-excited vibrations occurs on frequencies corresponding to that eigenvalues. Second model uses harmonic response analysis. It examines vibrations of the wheel excited by lateral creep force acting in contact region. This force is obtained externally by simple time-domain model. Results from harmonic response are used consequently for noise radiation computation.

Die Kontaktverhältnisse zwischen Reifen und Fahrbahn bestimmen die maximal übertragbaren Beschleunigungs-, Brems- und Seitenkräfte des Fahrzeugs und sind daher für die Fahrsicherheit von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein Modell zur numerisch effizienten Simulation der hochfrequenten Dynamik einzelner Reifenprofilblöcke entwickelt. Der vorgestellte Modellansatz nutzt einerseits die Vorteile der Finite-Elemente-Methode, welche die Bauteilstruktur detailliert auflösen kann, bei der jedoch lange Rechenzeiten in Kauf genommen werden. Andererseits profitiert der vorgestellte Modellansatz von den Vorteilen stark vereinfachter Mehrkörpersysteme, welche die Berechnung der hochfrequenten Dynamik und akustischer Phänomene erlauben, jedoch strukturdynamische Effekte und das Kontaktverhalten in der Bodenaufstandsfläche des Reifens nur begrenzt abbilden können. Das hier vorgestellte Modell berücksichtigt in einem modularen Ansatz die Effekte der Strukturdynamik, der lokalen Reibwertcharakteristik, der nichtlinearen Wechselwirkungen durch den Kontakt mit der rauen Fahrbahnoberfläche und des lokalen Verschleißes. Die erforderlichen Modellparameter werden durch geeignete Experimente bestimmt. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung reibungsselbsterregter Profilblockschwingungen bei Variation der Modell- und Prozessparameter. Zur realistischen Betrachtung des Reifenprofilblockverhaltens erfolgt eine Erweiterung des Modells um eine Abrollkinematik, die tiefere Einblicke in die dynamischen Vorgänge in der Bodenaufstandsfläche des Reifens ermöglicht. Diese Simulationen lassen eine Zuordnung der aus der Literatur bekannten zeitlichen Abfolge von Einlaufphase, Haftphase, Gleitphase und Ausschnappphase zu. Es zeigen sich bei bestimmten Kombinationen aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Schlupfwert ausgeprägte Stick-Slip-Schwingungen im akustisch relevanten Frequenzbereich. Das Modell erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Profilblockgeometrie, der Materialparameter, der Fahrbahneigenschaften sowie der Betriebszustände auf den resultierenden Reibwert, auf das lokale Verschleißverhalten sowie auf das Auftreten hochfrequenter reibungsselbsterregter Schwingungen. Somit ermöglicht das Modell ein vertieftes Verständnis der Vorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Struktur- und Kontaktmechanik. Es kann eine Basis für zukünftige Optimierungen des Profilblocks zur Verbesserung wesentlicher Reifeneigenschaften wie Kraftschlussverhalten, Verschleiß und Akustik bilden.:Formelverzeichnis VII Kurzfassung X Abstract XI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Stand des Wissens 6 2.1 Mechanische Eigenschaften von Elastomeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Elastomerreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Modelle zur Beschreibung von Hysteresereibung . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Modelle zur Beschreibung von Adhäsionsreibung . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Phänomenologische Beschreibung von Elastomerreibung . . . . . . 13 2.3 Verschleiß von Profilblöcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Entstehung von Stick-Slip-Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Profilblockmodelle und -simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Experimentelle Einrichtungen zur Untersuchung von Profilblöcken . . . . . 42 2.6.1 Schwerlasttribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.2 IDS-Tribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6.3 Mini-mue-road . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6.4 Linear Friction Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.5 Prüfstand für Stollenmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.6 Hochgeschwindigkeits-Abrollprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.7 Hochgeschwindigkeits-Linearprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7 Experimentelle Reibwertbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Profilblockmodell 55 3.1 Modularer Modellansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 Modul 1: Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.1 Transformations- und Reduktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3 Modul 2: Lokale Reibwertcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Einflussgrößen auf den Reibwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Numerische Behandlung der Reibwertberechnung . . . . . . . . . . 73 3.4 Modul 3: Nichtlineare Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.1 Lokale Kontaktbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.2 Kontaktalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Modul 4: Lokaler Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Vorgehen zur Verschleißmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4 Parameterbestimmung 84 4.1 Strukturdynamische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Dämpfung . . . . . . . 84 4.1.2 Optimierung der Modenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Bestimmung der Reibcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Bestimmung der nichtlinearen Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Bestimmung der Verschleißparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5 Simulationen 100 5.1 Betrachtung eines gleitenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.1.1 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit ohne Verschleiß . . . . 100 5.1.2 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit mit Verschleiß . . . . 103 5.1.3 Profilblockverhalten bei niedriger Gleitgeschwindigkeit . . . . . . . 106 5.1.4 Simulationen mit Normalkraftvorgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.1.5 Vergleich Experiment-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1.6 Variation der Profilblockgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2 Betrachtung eines abrollenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.1 Abrollkinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.2 Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.3 Einfluss des Schlupfwerts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.4 Einfluss des Kontaktdrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.5 Kontaktkraftbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6 Zusammenfassung 139 Literatur 143 / The contact conditions between tyre and road are responsible for the maximum acceleration, braking and side forces of a vehicle. Therefore, they have a large impact on the driving safety. Within this work a numerically efficient model for the simulation of the high-frequency dynamics of single tyre tread blocks is developed. The presented modelling approach benefits the advantage of the finite element method to resolve the component structure in detail. However, a long computation time is accepted for these finite element models. Moreover, the presented modelling approach makes use of the advantage of simplified multibody systems to calculate the high-frequency dynamics and acoustic phenomena. However, structural effects and the contact behaviour in the tyre contact patch can be covered only to a minor degree. The model treated here considers the effects of structural dynamics, the local friction characteristic, the non-linear interaction due to the contact with the rough road surface and local wear. The required model parameters are determined by appropriate experiments. One focus of this work is the investigation of self-excited tread block vibrations under variation of the model and process parameters. In order to realistically investigate the tread block behaviour the model is extended with regard to rolling kinematics which provides a deeper insight into the dynamic processes in the tyre contact patch. The corresponding simulations allow the allocation of the run-in phase, sticking phase, sliding phase and snap-out which is reported in the literature. For certain combinations of vehicle velocity and slip value pronounced stick-slip vibrations occur within the acoustically relevant frequency range. The model enables to study the influence of the tread block geometry, the material properties, the road surface characteristics and the operating conditions on the resulting tread block friction coefficient, local tread block wear and the occurrence of high-frequency self-excited vibrations. The simulation results provide a distinct understanding of the processes in the tyre/road contact and the interactions between structural mechanics and contact mechanics. They can be a basis for future tread block optimisations with respect to essential tyre properties such as traction, wear and acoustic phenomena.:Formelverzeichnis VII Kurzfassung X Abstract XI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Stand des Wissens 6 2.1 Mechanische Eigenschaften von Elastomeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Elastomerreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Modelle zur Beschreibung von Hysteresereibung . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Modelle zur Beschreibung von Adhäsionsreibung . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Phänomenologische Beschreibung von Elastomerreibung . . . . . . 13 2.3 Verschleiß von Profilblöcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Entstehung von Stick-Slip-Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Profilblockmodelle und -simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Experimentelle Einrichtungen zur Untersuchung von Profilblöcken . . . . . 42 2.6.1 Schwerlasttribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.2 IDS-Tribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6.3 Mini-mue-road . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6.4 Linear Friction Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.5 Prüfstand für Stollenmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.6 Hochgeschwindigkeits-Abrollprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.7 Hochgeschwindigkeits-Linearprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7 Experimentelle Reibwertbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Profilblockmodell 55 3.1 Modularer Modellansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 Modul 1: Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.1 Transformations- und Reduktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3 Modul 2: Lokale Reibwertcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Einflussgrößen auf den Reibwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Numerische Behandlung der Reibwertberechnung . . . . . . . . . . 73 3.4 Modul 3: Nichtlineare Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.1 Lokale Kontaktbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.2 Kontaktalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Modul 4: Lokaler Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Vorgehen zur Verschleißmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4 Parameterbestimmung 84 4.1 Strukturdynamische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Dämpfung . . . . . . . 84 4.1.2 Optimierung der Modenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Bestimmung der Reibcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Bestimmung der nichtlinearen Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Bestimmung der Verschleißparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5 Simulationen 100 5.1 Betrachtung eines gleitenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.1.1 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit ohne Verschleiß . . . . 100 5.1.2 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit mit Verschleiß . . . . 103 5.1.3 Profilblockverhalten bei niedriger Gleitgeschwindigkeit . . . . . . . 106 5.1.4 Simulationen mit Normalkraftvorgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.1.5 Vergleich Experiment-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1.6 Variation der Profilblockgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2 Betrachtung eines abrollenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.1 Abrollkinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.2 Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.3 Einfluss des Schlupfwerts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.4 Einfluss des Kontaktdrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.5 Kontaktkraftbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6 Zusammenfassung 139 Literatur 143

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[EN] The aim of the present Thesis is to develop models for the study of very high-frequency phenomena associated with the coupling dynamics of a railway vehicle with the track. Through these models, this Thesis intends to address squeal noise as a particular case of rolling noise when the train negotiates a small radius curve. Wheel/rail interaction is the predominant source of noise emission in railway operations. Rolling contact couples the wheel and the rail through a very small area, characterised by strongly non-linear and non-steady state dynamics that differentiates rolling noise from any other noise problem. Wheel/rail contact problem is studied based on Kalker's variational theory and the local falling behaviour of the coefficient of friction is introduced by means of a regularisation of Coulomb's law. Its implementation shows that the influence of the falling friction on the creep curves can be assumed negligible, thus rolling contact is finally modelled using a constant coefficient of friction. Flexibility is introduced in railway substructures through the Finite Element (FE) method in order to cover the high-frequency range. This work adopts a rotatory wheelset model that takes computational advantage of its rotational symmetry. It also develops a cyclic flexible rail model that fixes the translational contact force in a spatial point of the mesh through a technique called Moving Element (ME) method. A modal approach is used to reduce significantly the number of degrees of freedom of the global problem and a diagonalisation technique permits to decouple the resulting modal equations of motion in order to increase the computational velocity of the time integrator. Simulations in curving conditions in the time domain are carried out for constant friction conditions in order to study if the proposed interaction model can reproduce squeal characteristics for different curve radii and coefficients of friction. / [ES] El objetivo de la presente Tesis es desarrollar modelos para el estudio de fenómenos de muy alta frecuencia asociados a la dinámica acoplada de un vehículo ferroviario con la vía. A través de estos modelos, esta Tesis pretende abordar el fenómeno de los chirridos como un caso particular de ruido de rodadura en condiciones de curva cerrada. La interacción rueda/carril es la fuente predominante de ruido en las operaciones ferroviarias. El contacto es el responsable del acoplamiento entre la rueda y el carril a través de un área muy pequeña caracterizada por una dinámica fuertemente no lineal y no estacionaria. El problema de contacto rueda/carril se estudia mediante la teoría variacional de Kalker y la caída local del coeficiente de fricción se introduce por medio de una regularización de la ley de Coulomb, que muestra que su influencia sobre las curvas de fluencia se puede despreciar. Como consecuencia, el coeficiente de fricción se considera constante. La flexibilidad se introduce en las subestructuras ferroviarias a través del método de los Elementos Finitos (EF) para cubrir el rango de las altas frecuencias. La Tesis adopta un modelo de eje montado rotatorio que toma ventaja computacional de su simetría rotacional. También desarrolla un modelo de carril flexible y cíclico que fija la fuerza de contacto en un punto espacial de la malla mediante el método de los Elementos Móviles (EM). Se utiliza un enfoque modal para reducir significativamente el número de grados de libertad del problema global; las ecuaciones de movimiento resultantes en coordenadas modales se desacoplan mendiante una técnica de diagonalización para aumentar la velocidad computacional del integrador temporal. Las simulaciones en condiciones de curva en el dominio del tiempo se llevan a cabo en condiciones de fricción constante con el objetivo de estudiar si el modelo de interacción propuesto puede reproducir las características del chirrido en curva para diferentes radios de curva y coeficientes de fricción. / [CAT] L'objectiu de la present Tesi és desenvolupar models per a l'estudi de fenòmens de molt alta freqüència associats amb la dinàmica acoblada d'un vehicle ferroviari amb la via. Aquests models permeten simular el soroll de rodament encara que, en particular, aquest treball es proposa abordar el fenomen del soroll grinyolant produït quan el tren negocia un radi de curvatura estret. La interacció roda/carril és la font predominant de l'emissió de soroll en les operacions ferroviàries. El contacte acobla la roda i el carril a través d'una àrea molt reduïda que es caracteritza per una dinàmica fortament no lineal i no estacionària. El problema de contacte roda/carril s'estudia mitjançant la teoria variacional de Kalker i el descens local del coeficient de fricció s'introdueix per mitjà d'una regularització de la llei de Coulomb, què demostra que la seua influència en les corbes de fluència es pot suposar insignificant. Per tant, s'utilitza un coeficient de fricció constant per a modelar el contacte. La flexibilitat s'introdueix en les subestructures de ferrocarril a través del mètode d'Elements Finits (EF) per tal de cobrir el rang d'alta freqüència. La present tesi adopta un model d'eix muntat rotatori que s'aprofita de la seua la simetria rotacional per a augmentar la eficiència computacional. També desenvolupa un model de carril flexible i cíclic que fixa la força de contacte en un punt espacial de la malla a través del mètode dels Elements Mòbils (EM). S'empra un enfocament modal per reduir significativament el nombre de graus de llibertat del problema global, al temps que s'implementa una tècnica diagonalització que permet desacoblar les equacions modals de moviment per a augmentar la velocitat computacional de l'integrador temporal. Les simulacions en les condicions de corba en el domini del temps es duen a terme per a condicions de fricció constant per tal d'estudiar si el model d'interacció proposat pot reproduir les característiques del soroll grinyolant per a diferents radis de corba i coeficients de fricció. / Giner Navarro, J. (2017). Advances Techniques for Time-Domain Modelling of High-Frequency Train/Track Interaction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90637