Este trabalho é um estudo sobre as variáveis que atuam sobre o desempenho dos sistemas de freio, o atrito e o desgaste. Segundo a literatura, essas variáveis são: a velocidade de escorregamento, a pressão de contato, a temperatura e a umidade relativa do ar. A maneira como essas variáveis atuam no desempenho dos sistemas está relacionada aos mecanismos de atrito e desgaste envolvidos no processo de frenagem. Existe, portanto, uma inter-relação entre variáveis, mecanismos e desempenho. Escolhido um conjunto de sistemas de freio a disco representativo do mercado, foi realizado um levantamento das velocidades de escorregamento, pressões de contato e temperaturas típicas a que são submetidos esses sistemas. A velocidade de escorregamento e a pressão de contato foram obtidas analiticamente, enquanto que a temperatura foi medida em um ensaio específico que permitisse a comparação dos sistemas de freio entre si. Quanto à velocidade de escorregamento, não foram observadas diferenças significativas, porém, na análise das pressões de contato observou-se que os sistemas pneumáticos operam com pressões consideravelmente superiores, cerca de três vezes maiores que os sistemas hidráulicos. Para avaliar o comportamento térmico dos sistemas, foi realizado um ensaio mantendo-se a mesma velocidade de escorregamento, pressão de contato e densidade de energia (energia por unidade de área). Os resultados das temperaturas demonstraram que nos sistemas com discos ventilados houve diferenças significativas das temperaturas entre as faces lado cubo e lado oposto ao cubo devido à má distribuição de pressão nas pastilhas. A distribuição não-uniforme de pressão é mencionada por alguns autores como devida principalmente à rigidez do sistema de freio assim como folgas. Por fim, optou-se por determinar as características térmicas dos sistemas através da temperatura média medida pelos termopares nos discos ventilados e a temperatura medida por um único termopar no disco sólido, conforme especificam as normas. Os resultados indicaram que os sistemas apresentam um comportamento térmico semelhante. / This is a study about the variables that act over brake system performance, friction and wear. In accordance with literature, these variables are: the sliding velocity, contact pressure, temperature and air humidity. The manner that these variables act in the performance of the brake systems is related to mechanisms of friction and wear involved in the process of braking. Therefore, there are an inter-relation among variables, mechanisms and performance. Having chosen a set of disc brake systems that is representative of the market, it was made a survey of the common range of sliding velocity, contact pressure and temperature that these systems are submitted to. The sliding velocity and the contact pressure were obtained analytically, while the temperature was measured in experimental tests to make possible the comparison of the brake systems. In relation to the sliding velocity there were no significant differences observed. However, in the analyses of the contact pressure it was observed that the pneumatic systems operate with pressures considerably higher, like three times higher than the hydraulic systems. The thermal behavior of the systems was assessed by carrying out an experimental test in which the same sliding velocity, contact pressure and energy density (energy for unit area) were kept. The temperature results demonstrated that in the systems with ventilated discs there were significant differences of temperatures between the faces of the hub and opposite to the hub due to bad distribution of pressure in the pads. The non-uniform pressure distribution in the pads is mentioned by some authors in the literature as mainly due to the stiffness of the systems as well as clearances. Finally, it was decided to determine the thermal characteristics of the systems through the average temperature measured by the thermocouples in the ventilated discs and the temperature measured by one single thermocouple in the solid disc, as it is specified by the standards. The results indicate the systems present a behavior that is similar to each other.

Vibrações de baixa frequência, conhecidas por judder, figuram entre as maiores reclamações de consumidores para problemas originados pelos sistemas de freio automotivos, uma vez que penalizam o conforto do veículo. Em freios a disco, o judder procede de divergências dimensionais que resultem na variação da espessura do disco ao longo de sua circunferência, o chamado DTV (disc thickness variation). Como consequência deste fenômeno são observadas variações no torque de frenagem (BTV ou brake torque variation) e flutuações na pressão do fluído de freio (BPV ou brake pressure variation), ambas induzindo vibrações em frequências proporcionais à rotação das rodas e que são percebidas principalmente no volante, no pedal de freio ou no assoalho do veículo. Durante o desenvolvimento de sistemas de freio, ensaios em bancada e em veículo monitoram o desenvolvimento do DTV ao longo de sucessivas frenagens. A medição do DTV, que não passa de algumas dezenas de micra, exige a utilização de sistemas de precisão que, por sua vez, estão sujeitos a erros inerentes ao procedimento de montagem e desmontagem ou ainda da própria vibração das bancadas de ensaio onde são instalados. Por outro lado, as medições de torque e pressão estão menos sujeitas a estas interferências, podendo servir como parâmetros de avaliação do freio. No presente trabalho, discos em diferentes níveis de DTV foram preparados e montados em um veículo instrumentado para a medição de vibrações. Um procedimento de frenagens em diferentes pressões foi executado com cada disco, de forma a determinar a condição a partir da qual o judder se torna crítico. Em continuação, ensaios em um dinamômetro inercial simularam o mesmo procedimento, de onde se buscou medir o BTV e o BPV nos diferentes níveis de variação de espessura de disco. Como resultado foi observado que a medição do BTVRelativo, bem como a do BPVMáximo, em frenagens com pressão entre 30 e 50 bar, demarcam patamares que permitem determinar se o disco de freio se encontra com um DTV acima do limite admissível para a não-ocorrência de vibrações consideradas desconfortáveis. Desta observação, conclui-se que os procedimentos de ensaio em bancada podem ser incrementados de frenagens em pressão da ordem de 40 bar, em etapas estratégicas do teste, onde a medição do BTVRelativo e/ou do BPVMáximo podem fazer parte dos critérios de aprovação para o freio em avaliação. / Low frequency vibrations, also known as judder, are one of the major customer complains on brake system issues, since they bring a penalty for vehicle comfort. Regarding disc brakes, judder is originated by dimensional faults resulting in the disc thickness variation (DTV) along its circumference. As a consequence of this phenomenon, brake torque variations (BTV) and brake pressure variations (BPV) are observed, both resulting in vibrations that can be felt in the steering wheel, brake pedal and vehicle floor, at frequencies proportional to the wheel speed. When developing a new brake system, vehicle and bench tests are performed in order to monitor the DTV growth along successive snubs. In measuring DTV, which in most cases does not overcome several tens of micron, high precision measuring devices are required which, by the way, are subjected to measurement errors due to assembly/disassembly of sensors or affected by the vibration of the test bench itself. On the other hand, the brake torque and pressure measurements are less influenced by these interferences and might be useful parameters on brake evaluation. As part of this study, discs in different levels of DTV were prepared and assembled in a vehicle instrumented to the measurement of the vibrations. A test procedure with snubs at different pressures was performed over each disc, as a way to access the condition for critical judder. After that, a inertia dynamometer was employed to simulate the same test procedure, were the BTV and DTV were measured against the different levels of DTV. As a result it was observed that the BTVRelative measurement, as well as the BPVMaximum measurement, in snubs with pressure between 30 and 50 bar, present well defined levels which permit to identify if a brake disc DTV is above the acceptable limit for non-generation of vibrations classified as uncomfortable. From this observation, the conclusion is that brake test procedures can incorporate additional snubs with pressure of around 40 bar, in strategically defined stages, where the BTVRelative and/or BPVMaximum measurements may figure as part of the criteria for brake approval.

Este trabalho é um estudo sobre as variáveis que atuam sobre o desempenho dos sistemas de freio, o atrito e o desgaste. Segundo a literatura, essas variáveis são: a velocidade de escorregamento, a pressão de contato, a temperatura e a umidade relativa do ar. A maneira como essas variáveis atuam no desempenho dos sistemas está relacionada aos mecanismos de atrito e desgaste envolvidos no processo de frenagem. Existe, portanto, uma inter-relação entre variáveis, mecanismos e desempenho. Escolhido um conjunto de sistemas de freio a disco representativo do mercado, foi realizado um levantamento das velocidades de escorregamento, pressões de contato e temperaturas típicas a que são submetidos esses sistemas. A velocidade de escorregamento e a pressão de contato foram obtidas analiticamente, enquanto que a temperatura foi medida em um ensaio específico que permitisse a comparação dos sistemas de freio entre si. Quanto à velocidade de escorregamento, não foram observadas diferenças significativas, porém, na análise das pressões de contato observou-se que os sistemas pneumáticos operam com pressões consideravelmente superiores, cerca de três vezes maiores que os sistemas hidráulicos. Para avaliar o comportamento térmico dos sistemas, foi realizado um ensaio mantendo-se a mesma velocidade de escorregamento, pressão de contato e densidade de energia (energia por unidade de área). Os resultados das temperaturas demonstraram que nos sistemas com discos ventilados houve diferenças significativas das temperaturas entre as faces lado cubo e lado oposto ao cubo devido à má distribuição de pressão nas pastilhas. A distribuição não-uniforme de pressão é mencionada por alguns autores como devida principalmente à rigidez do sistema de freio assim como folgas. Por fim, optou-se por determinar as características térmicas dos sistemas através da temperatura média medida pelos termopares nos discos ventilados e a temperatura medida por um único termopar no disco sólido, conforme especificam as normas. Os resultados indicaram que os sistemas apresentam um comportamento térmico semelhante. / This is a study about the variables that act over brake system performance, friction and wear. In accordance with literature, these variables are: the sliding velocity, contact pressure, temperature and air humidity. The manner that these variables act in the performance of the brake systems is related to mechanisms of friction and wear involved in the process of braking. Therefore, there are an inter-relation among variables, mechanisms and performance. Having chosen a set of disc brake systems that is representative of the market, it was made a survey of the common range of sliding velocity, contact pressure and temperature that these systems are submitted to. The sliding velocity and the contact pressure were obtained analytically, while the temperature was measured in experimental tests to make possible the comparison of the brake systems. In relation to the sliding velocity there were no significant differences observed. However, in the analyses of the contact pressure it was observed that the pneumatic systems operate with pressures considerably higher, like three times higher than the hydraulic systems. The thermal behavior of the systems was assessed by carrying out an experimental test in which the same sliding velocity, contact pressure and energy density (energy for unit area) were kept. The temperature results demonstrated that in the systems with ventilated discs there were significant differences of temperatures between the faces of the hub and opposite to the hub due to bad distribution of pressure in the pads. The non-uniform pressure distribution in the pads is mentioned by some authors in the literature as mainly due to the stiffness of the systems as well as clearances. Finally, it was decided to determine the thermal characteristics of the systems through the average temperature measured by the thermocouples in the ventilated discs and the temperature measured by one single thermocouple in the solid disc, as it is specified by the standards. The results indicate the systems present a behavior that is similar to each other.

Vibrações de baixa frequência, conhecidas por judder, figuram entre as maiores reclamações de consumidores para problemas originados pelos sistemas de freio automotivos, uma vez que penalizam o conforto do veículo. Em freios a disco, o judder procede de divergências dimensionais que resultem na variação da espessura do disco ao longo de sua circunferência, o chamado DTV (disc thickness variation). Como consequência deste fenômeno são observadas variações no torque de frenagem (BTV ou brake torque variation) e flutuações na pressão do fluído de freio (BPV ou brake pressure variation), ambas induzindo vibrações em frequências proporcionais à rotação das rodas e que são percebidas principalmente no volante, no pedal de freio ou no assoalho do veículo. Durante o desenvolvimento de sistemas de freio, ensaios em bancada e em veículo monitoram o desenvolvimento do DTV ao longo de sucessivas frenagens. A medição do DTV, que não passa de algumas dezenas de micra, exige a utilização de sistemas de precisão que, por sua vez, estão sujeitos a erros inerentes ao procedimento de montagem e desmontagem ou ainda da própria vibração das bancadas de ensaio onde são instalados. Por outro lado, as medições de torque e pressão estão menos sujeitas a estas interferências, podendo servir como parâmetros de avaliação do freio. No presente trabalho, discos em diferentes níveis de DTV foram preparados e montados em um veículo instrumentado para a medição de vibrações. Um procedimento de frenagens em diferentes pressões foi executado com cada disco, de forma a determinar a condição a partir da qual o judder se torna crítico. Em continuação, ensaios em um dinamômetro inercial simularam o mesmo procedimento, de onde se buscou medir o BTV e o BPV nos diferentes níveis de variação de espessura de disco. Como resultado foi observado que a medição do BTVRelativo, bem como a do BPVMáximo, em frenagens com pressão entre 30 e 50 bar, demarcam patamares que permitem determinar se o disco de freio se encontra com um DTV acima do limite admissível para a não-ocorrência de vibrações consideradas desconfortáveis. Desta observação, conclui-se que os procedimentos de ensaio em bancada podem ser incrementados de frenagens em pressão da ordem de 40 bar, em etapas estratégicas do teste, onde a medição do BTVRelativo e/ou do BPVMáximo podem fazer parte dos critérios de aprovação para o freio em avaliação. / Low frequency vibrations, also known as judder, are one of the major customer complains on brake system issues, since they bring a penalty for vehicle comfort. Regarding disc brakes, judder is originated by dimensional faults resulting in the disc thickness variation (DTV) along its circumference. As a consequence of this phenomenon, brake torque variations (BTV) and brake pressure variations (BPV) are observed, both resulting in vibrations that can be felt in the steering wheel, brake pedal and vehicle floor, at frequencies proportional to the wheel speed. When developing a new brake system, vehicle and bench tests are performed in order to monitor the DTV growth along successive snubs. In measuring DTV, which in most cases does not overcome several tens of micron, high precision measuring devices are required which, by the way, are subjected to measurement errors due to assembly/disassembly of sensors or affected by the vibration of the test bench itself. On the other hand, the brake torque and pressure measurements are less influenced by these interferences and might be useful parameters on brake evaluation. As part of this study, discs in different levels of DTV were prepared and assembled in a vehicle instrumented to the measurement of the vibrations. A test procedure with snubs at different pressures was performed over each disc, as a way to access the condition for critical judder. After that, a inertia dynamometer was employed to simulate the same test procedure, were the BTV and DTV were measured against the different levels of DTV. As a result it was observed that the BTVRelative measurement, as well as the BPVMaximum measurement, in snubs with pressure between 30 and 50 bar, present well defined levels which permit to identify if a brake disc DTV is above the acceptable limit for non-generation of vibrations classified as uncomfortable. From this observation, the conclusion is that brake test procedures can incorporate additional snubs with pressure of around 40 bar, in strategically defined stages, where the BTVRelative and/or BPVMaximum measurements may figure as part of the criteria for brake approval.

Este trabalho é um estudo sobre as variáveis que atuam sobre o desempenho dos sistemas de freio, o atrito e o desgaste. Segundo a literatura, essas variáveis são: a velocidade de escorregamento, a pressão de contato, a temperatura e a umidade relativa do ar. A maneira como essas variáveis atuam no desempenho dos sistemas está relacionada aos mecanismos de atrito e desgaste envolvidos no processo de frenagem. Existe, portanto, uma inter-relação entre variáveis, mecanismos e desempenho. Escolhido um conjunto de sistemas de freio a disco representativo do mercado, foi realizado um levantamento das velocidades de escorregamento, pressões de contato e temperaturas típicas a que são submetidos esses sistemas. A velocidade de escorregamento e a pressão de contato foram obtidas analiticamente, enquanto que a temperatura foi medida em um ensaio específico que permitisse a comparação dos sistemas de freio entre si. Quanto à velocidade de escorregamento, não foram observadas diferenças significativas, porém, na análise das pressões de contato observou-se que os sistemas pneumáticos operam com pressões consideravelmente superiores, cerca de três vezes maiores que os sistemas hidráulicos. Para avaliar o comportamento térmico dos sistemas, foi realizado um ensaio mantendo-se a mesma velocidade de escorregamento, pressão de contato e densidade de energia (energia por unidade de área). Os resultados das temperaturas demonstraram que nos sistemas com discos ventilados houve diferenças significativas das temperaturas entre as faces lado cubo e lado oposto ao cubo devido à má distribuição de pressão nas pastilhas. A distribuição não-uniforme de pressão é mencionada por alguns autores como devida principalmente à rigidez do sistema de freio assim como folgas. Por fim, optou-se por determinar as características térmicas dos sistemas através da temperatura média medida pelos termopares nos discos ventilados e a temperatura medida por um único termopar no disco sólido, conforme especificam as normas. Os resultados indicaram que os sistemas apresentam um comportamento térmico semelhante. / This is a study about the variables that act over brake system performance, friction and wear. In accordance with literature, these variables are: the sliding velocity, contact pressure, temperature and air humidity. The manner that these variables act in the performance of the brake systems is related to mechanisms of friction and wear involved in the process of braking. Therefore, there are an inter-relation among variables, mechanisms and performance. Having chosen a set of disc brake systems that is representative of the market, it was made a survey of the common range of sliding velocity, contact pressure and temperature that these systems are submitted to. The sliding velocity and the contact pressure were obtained analytically, while the temperature was measured in experimental tests to make possible the comparison of the brake systems. In relation to the sliding velocity there were no significant differences observed. However, in the analyses of the contact pressure it was observed that the pneumatic systems operate with pressures considerably higher, like three times higher than the hydraulic systems. The thermal behavior of the systems was assessed by carrying out an experimental test in which the same sliding velocity, contact pressure and energy density (energy for unit area) were kept. The temperature results demonstrated that in the systems with ventilated discs there were significant differences of temperatures between the faces of the hub and opposite to the hub due to bad distribution of pressure in the pads. The non-uniform pressure distribution in the pads is mentioned by some authors in the literature as mainly due to the stiffness of the systems as well as clearances. Finally, it was decided to determine the thermal characteristics of the systems through the average temperature measured by the thermocouples in the ventilated discs and the temperature measured by one single thermocouple in the solid disc, as it is specified by the standards. The results indicate the systems present a behavior that is similar to each other.

Vibrações de baixa frequência, conhecidas por judder, figuram entre as maiores reclamações de consumidores para problemas originados pelos sistemas de freio automotivos, uma vez que penalizam o conforto do veículo. Em freios a disco, o judder procede de divergências dimensionais que resultem na variação da espessura do disco ao longo de sua circunferência, o chamado DTV (disc thickness variation). Como consequência deste fenômeno são observadas variações no torque de frenagem (BTV ou brake torque variation) e flutuações na pressão do fluído de freio (BPV ou brake pressure variation), ambas induzindo vibrações em frequências proporcionais à rotação das rodas e que são percebidas principalmente no volante, no pedal de freio ou no assoalho do veículo. Durante o desenvolvimento de sistemas de freio, ensaios em bancada e em veículo monitoram o desenvolvimento do DTV ao longo de sucessivas frenagens. A medição do DTV, que não passa de algumas dezenas de micra, exige a utilização de sistemas de precisão que, por sua vez, estão sujeitos a erros inerentes ao procedimento de montagem e desmontagem ou ainda da própria vibração das bancadas de ensaio onde são instalados. Por outro lado, as medições de torque e pressão estão menos sujeitas a estas interferências, podendo servir como parâmetros de avaliação do freio. No presente trabalho, discos em diferentes níveis de DTV foram preparados e montados em um veículo instrumentado para a medição de vibrações. Um procedimento de frenagens em diferentes pressões foi executado com cada disco, de forma a determinar a condição a partir da qual o judder se torna crítico. Em continuação, ensaios em um dinamômetro inercial simularam o mesmo procedimento, de onde se buscou medir o BTV e o BPV nos diferentes níveis de variação de espessura de disco. Como resultado foi observado que a medição do BTVRelativo, bem como a do BPVMáximo, em frenagens com pressão entre 30 e 50 bar, demarcam patamares que permitem determinar se o disco de freio se encontra com um DTV acima do limite admissível para a não-ocorrência de vibrações consideradas desconfortáveis. Desta observação, conclui-se que os procedimentos de ensaio em bancada podem ser incrementados de frenagens em pressão da ordem de 40 bar, em etapas estratégicas do teste, onde a medição do BTVRelativo e/ou do BPVMáximo podem fazer parte dos critérios de aprovação para o freio em avaliação. / Low frequency vibrations, also known as judder, are one of the major customer complains on brake system issues, since they bring a penalty for vehicle comfort. Regarding disc brakes, judder is originated by dimensional faults resulting in the disc thickness variation (DTV) along its circumference. As a consequence of this phenomenon, brake torque variations (BTV) and brake pressure variations (BPV) are observed, both resulting in vibrations that can be felt in the steering wheel, brake pedal and vehicle floor, at frequencies proportional to the wheel speed. When developing a new brake system, vehicle and bench tests are performed in order to monitor the DTV growth along successive snubs. In measuring DTV, which in most cases does not overcome several tens of micron, high precision measuring devices are required which, by the way, are subjected to measurement errors due to assembly/disassembly of sensors or affected by the vibration of the test bench itself. On the other hand, the brake torque and pressure measurements are less influenced by these interferences and might be useful parameters on brake evaluation. As part of this study, discs in different levels of DTV were prepared and assembled in a vehicle instrumented to the measurement of the vibrations. A test procedure with snubs at different pressures was performed over each disc, as a way to access the condition for critical judder. After that, a inertia dynamometer was employed to simulate the same test procedure, were the BTV and DTV were measured against the different levels of DTV. As a result it was observed that the BTVRelative measurement, as well as the BPVMaximum measurement, in snubs with pressure between 30 and 50 bar, present well defined levels which permit to identify if a brake disc DTV is above the acceptable limit for non-generation of vibrations classified as uncomfortable. From this observation, the conclusion is that brake test procedures can incorporate additional snubs with pressure of around 40 bar, in strategically defined stages, where the BTVRelative and/or BPVMaximum measurements may figure as part of the criteria for brake approval.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Estágio realizado na Toyota Caetano Portugal, S.A. e orientado pelo Eng.º João Pedro Marques / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Automação). Faculdade de Engenharia. Universiade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008