One of the benefits of electric vehicles (EVs) and hybrid vehicles (HVs) is their potential to recuperate braking energy. Regenerative braking (RB) will minimize duty levels on the brakes, giving advantages including extended brake rotor and friction material life and, more significantly, reduced brake mass and minimised brake pad wear. In this thesis, a mathematical analysis (MATLAB) has been used to analyse the accessibility of regenerative braking energy during a single-stop braking event. The results have indicated that a friction brake could be downsized while maintaining the same functional requirements of the vehicle braking in the standard brakes, including thermomechanical performance (heat transfer coefficient estimation, temperature distribution, cooling and stress deformation). This would allow lighter brakes to be designed and fitted with confidence in a normal passenger car alongside a hybrid electric drive. An approach has been established and a lightweight brake disc design analysed FEA and experimentally verified is presented in this research. Thermal performance was a key factor which was studied using the 3D model in FEA simulations. Ultimately, a design approach for lightweight brake discs suitable for use in any car-sized hybrid vehicle has been developed and tested. The results from experiments on a prototype lightweight brake disc were shown to illustrate the effects of RBS/friction combination in terms of weight reduction. The design requirement, including reducing the thickness, would affect the temperature distribution and increase stress at the critical area. Based on the relationship obtained between rotor weight, thickness and each performance requirement, criteria have been established for designing lightweight brake discs in a vehicle with regenerative braking.

The fundamental theories of heat generation and transfer at the friction interface of a brake assume either matching or not matching surface temperatures by having a varying or uniform heat partition ratio respectively. In the research presented the behaviour of heat partition has been investigated in a fundamental study based on experimental measurements of temperature and the associated modelling and simulation of heat transfer in a brake friction pair. For a disc brake, an important parameter that was identified from the literature study is the interface tribo-layer (ITL), which has been modelled as an equivalent thermal resistance value based on its thickness and thermal conductivity. The interface real contact area was also an important parameter in this investigation, and it has been found to affect heat partitioning by adding its own thermal resistance. A 2-dimensional (2D) coupled-temperature displacement Finite Element (FE) model is presented, based on which a novel relationship which characterises the total thermal resistance (or conductance) at the friction interface has been characterised based on the ITL thermal properties, the contact area, and the contact pressure at the interface. Using the model the effect of friction material wear on the total thermal resistance (or conductance) at the friction interface was predicted and a comparison of the Archard and Arrhenius wear laws in predicting the wear of a resin bonded composite friction material operating against a cast iron mating surface is presented. A 3-dimensional (3D) model is also presented. This model has represented a small scale disc brake test rig which has been used in parallel with the simulation for validation in a drag braking scenario. Two simulation conditions with different pad surface states were investigated, the first having a nominally flat surface, and the second an adjusted (worn) pad surface based on bedding-in data. The Arrhenius wear model was applied to significance of including wear on the total thermal resistance at the friction interface over a short brake application. A sensitivity analysis on the interface thermal conductance, the location of heat generation, and the magnitude of contact pressure has identified the importance of each factor in determining the total thermal resistance (or conductance) at the friction interface during any friction brake application. It is concluded that the heat partitioning is insensitive on the location of heat generation, and that the most sensitive parameter is the contact pressure.

O projeto de um sistema de freios a tambor é altamente especializado, por este motivo é um produto terceirizado ou black box, onde os fornecedores investem em pesquisas e detém patentes de sua construção e materiais. Porém, cabe a montadora definir os requisitos do produto, propor o plano de validação do projeto do freio à aplicação no veículo ao qual se destina e interpretar os resultados para aprovação. Parte da execução deste plano é delegada ao fornecedor (DFMEA, simulações numéricas, ensaios acelerados em bancada), enquanto as partes de certificação governamental, desempenho e durabilidade em veículo são de responsabilidade da montadora. A metodologia existente para desenvolvimento de freios a tambor destina-se ao desenvolvimento conjunto de um novo carro e um novo sistema de freio completo. Assim, além das incertezas sobre parâmetros do projeto de veículo que influem no projeto do freio, existe uma maior facilidade de se alterar os sistemas de interface do freio a tambor, uma vez que ainda não existem ferramentais produtivos. Este trabalho apresenta uma metodologia para o desenvolvimento de um novo fornecedor de freios traseiros a tambor para veículos já em produção, sob o ponto de vista da engenharia de produto. A metodologia proposta pretende atender as necessidades das montadoras de automóveis instaladas no Brasil, uma vez que estas necessitam buscar alternativas no fornecimento de sistemas automotivos de grande responsabilidade, com qualidade e custos globalmente competitivos. Esta metodologia é destinada à substituição do fornecedor (e portando no projeto) do freio a tambor, visando especialmente redução de custos, para veículos já em produção, procurando manter inalteradas as peças de interface, além de preservar ou, se possível, exceder os parâmetros de qualidade, durabilidade e desempenho do sistema ao qual virá a substituir. Para comprovar a metodologia apresentada, esta é aplicada a um caso real para um veículo de passeio pequeno, e então são apresentados os resultados parciais. / The project of a system of drum brakes is highly specialized, for this reason is a third part product, so-called black box product, where the suppliers invest in research and withhold patents of its construction and materials. However, the car OEMs define the requirements of the product, propose the validation plan for the brake project to the application in the vehicle it destines and evaluate the results for approval. Part of the execution of this plan is delegated to the supplier (DFMEA, numerical simulations, speed up bench tests), while steps of governmental certification, performance and durability in vehicle are of responsibility of the OEMs. The existing methodology for drum brake development destines to jointly development of a new car and a complete new brake system. Thereby, beyond uncertainties on parameters of the vehicle project that influence in the project of the brake, it is easier to modify the systems of interface with the drum brake, therefore productive tooling not yet exists. The dissertation purpose is to propose a methodology for development of new supplier of rear drum brakes for vehicles already in production, under the point of view of the product engineering. The methodology proposed intends to attend the needs of the car manufacturers installed in Brazil, once those are searching alternatives of suppliers of great responsibility automotive systems, with globally competitive costs and quality. The methodology proposed is destined to replace the supplier (and also the project) of the drum brake, aiming for cost reduction specially, for vehicles already in production, looking for keeping parts of interface unchanged and to maintain or, if possible, to exceed the parameters of quality, durability and performance of the system which it will come to substitute. To confirm the proposed methodology, this is applied to a real case for a small passenger vehicle and then the partial results are shown.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento das fases de projeto informacional e preliminar para sistemas de freios por atrito, com aplicação em veículos urbanos de baixo custo. O desenvolvimento de projetos de sistemas de freios mecânicos, em veículos com baixa ou nenhuma emissão de poluentes e elevada eficiência depende fortemente do sistema de controle, condições de dirigibilidade, e principalmente das soluções para o sistema de geração e armazenagem de energia. A indústria automotiva constantemente promove a inserção de novas tecnologias, em componentes e sistemas automotivos. Porém, tanto as concepções, quanto as alterações são muitas vezes sigilosas ou/e protegidas por patentes. Nesse sentido foi desenvolvido um procedimento, para o projeto de freios mecânicos, a partir de ferramentas de metodologia de projeto. Durante o projeto informacional, que incorpora as análises de viabilidade técnica e econômica foi feita uma extração de características, cujo objetivo foi identificar os itens mais importantes em um sistema de freios, a partir da visão do usuário final. Para essa etapa foi utilizada a primeira matriz do QFD (Quality Function Deployment), ou matriz da qualidade do projeto. A região dessa matriz denominada \"matriz de contradições\" antecipa possíveis problemas técnicos, que deverão ser solucionados durante o projeto conceitual, ou durante a modelagem ou otimização no projeto preliminar. A concepção inovativa de um sistema de freios depende de um conjunto de variáveis, que inclui o espaço disponível de montagem ou envelope de trabalho, condições estáticas e dinâmicas da massa do veículo em funcionamento, até a forma de propulsão e geração de energia do veículo. A partir dessa visão, foi desenvolvido um programa de apoio ao projeto de freios automotivos dentro da visão de elementos de máquinas e estimativas com modelo simplificado, do perfil de temperatura do elemento de atrito durante a frenagem, com futura aplicação em veículos híbridos. O programa foi orientado por técnicas de metodologia de projeto, uma vez que veículos urbanos comerciais podem ser classificados como \"bens de consumo\". / This work presents the development of the informational and preliminary design phases to friction brakes applied to urban vehicles of low cost. The design development of the brake systems for vehicles with less or zero pollutants emissions, with high efficiency depends strongly of the control systems, dirigibility conditions and mainly of the solutions to the power generation and storage system. The automotive industries often promote the insertion of new technologies to mechanical parts and electromechanically systems. However, the concepts and the improvements are oftentimes secrets or sheltered by patents. In this way is developed a procedure for design mechanical brakes from design methodology techniques. From the informational design, that include the technical and economical feasibilities, it was made the technical informational extraction, whose objective it was to identify the characteristics more important to a brake system from costumer view. In this phase, the first matrix of QFD (Quality Function Deployment) or design quality matrix was developed. The superior matrix called \"Contradiction Matrix\" brings technical problems that will be resolved during the conceptual or preliminary design phases. The innovative conception of a brake system depends on a set of variables and parameters that include considerations about work envelope, static and dynamic conditions of the vehicle and as example, the propulsion and power generation of the system. As result of the design view it was developed a support program for design of the friction brakes considering the machine elements approach and using a simplified model it is possible to estimate of the temperature profile in the friction material during brake process, considering future applications in hybrid vehicles. The program was oriented by design methodology techniques to support the decision-making, once that the urban vehicles mentioned in this work can be classified as \"consumer good\".

O sistema antibloqueio de freios ABS (Antilock Braking System) é um dispositivo eletrônico-mecânico que complementa o sistema de freio tradicional e tem como objetivo fazer com que as rodas não travem na ocorrência de uma frenagem de emergência ou sob condições de alto perigo como superfície muito escorregadia, chuva forte ou gelo. Como resultado, o veiculo não perde a dirigibilidade fazendo com que o motorista consiga efetuar uma parada muito mais segura e, na maior parte dos casos, num espaço menor do que quando este sistema não se encontra a bordo do veiculo, mesmo que essa não seja a missão principal do ABS. Esta dissertação vai apresentar as diferenças que existem na frenagem de um mesmo bitrem, quando esse está equipado com diferentes tipos de ABS. O termo que vai determinar a \"qualidade\" da frenagem é a eficiência da mesma, ou seja, que percentagem de desaceleração máxima é atingida pelo binômio veículo-ABS numa frenagem em linha reta e pista seca e também com aderência diferenciada lado a lado. Para poder fazer essas estimações simulou-se o sistema de freios ABS com o software Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um modelo em multicorpos introduzindo todas as características físicas e dinâmicas de um bitrem. Dados foram obtidos durante as simulações: velocidades, acelerações, forças verticais e tangenciais nas superfícies de contato das rodas, além da eficiência de frenagem. Uma característica fundamental dessa simulação tem sido o fato do bitrem ter dois semireboques ao invés de um só, o que faz com que o veículo combinado às vezes apresente um comportamento diferente do esperado. Foram simuladas as seguintes versões de ABS: 4s4m, 4s3m, 4s2m, 2s2m e 2s1m, sob condições de aderência simétrica e valor 0,6 e condições assimétricas com valores 0,6 e 0,2. No cavalo mecânico, o sistema ABS usado foi o mesmo ao longo da simulação, um 2s2m no eixo dianteiro e 4s4m no tandem. Com condições assimétricas de aderência, a ordem de eficiência dos sistemas foi: o 4s4m (menor distância de parada), depois foi o 4s2m e depois vieram o 4s3m, o 4s2m, o 2s2m e o 2s1m em último lugar. / The ABS braking system (Antilock Braking System) is an electronic-mechanical device which along with a conventional braking system is conceived to make the wheels don\'t lock in consequence of an emergency braking or dangerous road conditions such as slippery or icy asphalt or even heavy rain. As a result, car doesn\'t lose control and driver is enabled to perform a much safer stop. It could also require a shorter distance to a full stop although that is not the first purpose of ABS. This dissertation expects to spot the noticeable differences when a truck is stopped with different versions of the ABS. The \"quality\" of breaking is going to be set trough the braking efficiency parameter, i.e. a comparison between the deceleration reached and the maximum reachable by both truck and road conditions, over a straight path and both equal and different grip coefficient on the sides of the truck. The Matlab/Simulink software was used to simulate an ABS breaking system. A multibody model was developed including all physical and dynamical properties of a truck. Every single relevant data was displayed and monitored: velocity, acceleration, vertical and tangential forces on the common surface tire-ground, besides braking efficiency. One remarkable feature of the simulation was the fact that this modelled truck pulls two trailers, which can get to unusual or unexpected behaviour. Namely, the following ABS versions were tested: 4s4m, 4s3m, 4s2m, 2s2m and 2s1m, under symmetric grip of 0,6 and asymmetric grip values of 0,6 and 0,2. The tractor head used invariably a 2s2m on the front axle and 4s4m on the rear tandem. When it comes to asymmetric conditions the ABS versions were ranked this order: 4s4m, 4s2m, 4s3m, 2s2m and finally 2s1m.

Considerando o nível de competitividade do mercado automobilístico atual, a satisfação do cliente tem se tornado uma vantagem competitiva a ser considerada, devido ao aumento da expectativa dos clientes em relação à percepção da qualidade. Neste aspecto, uma das maiores dificuldades existentes no projeto de sistemas de freio reside no fato de transformar informações e/ou opiniões subjetivas em informações e/ou dados objetivos, tais como parâmetros de projeto. O presente trabalho investiga a análise objetiva do conforto de frenagem de automóveis de passeio, estabelecendo indicadores que auxiliem e/ou complementem as análises subjetivas normalmente utilizadas pela empresa, para um estudo de caso envolvendo a mudança de material de atrito da pastilha do freio a disco de um automóvel de passeio. Foram utilizados para a análise objetiva, programas de simulação computacional para analisar o desempenho do sistema de freio com relação aos indicadores estabelecidos. Os dados obtidos através desta simulação foram comparados, tanto com os resultados da avaliação subjetiva, quanto aos resultados de medições experimentais do veículo analisado, buscando analisar a correlação dos resultados. Ao final do trabalho, da comparação realizada entre a avaliação subjetiva e a avaliação objetiva observou-se uma melhoria no conforto de frenagem aos usuários, apesar de ser imperceptível na avaliação subjetiva. Esta ferramenta será muito importante no estabelecimento da curva de conforto de frenagem ótima para os novos desenvolvimentos de sistemas de freio eletrohidráulicos, denominados “brake-by-wire" (BBW). / Considering today’s competitive automotive market, the customer satisfaction has become a competitive advantage to be considered, due to the customer expectation increasing regarding the quality perception. In this aspect, one of biggest existing difficulties in the brake system design is to transform subjective information and/or opinions into objective information and/or data, such as design parameters. The present study investigates the objective analysis of the brake pedal feeling for passenger cars, establishing index that can support and/or complement the subjective analysis, usually used by our company, for a study case involving the friction material change of passenger car’s caliper brake pad. The computational simulation program has been used for the objective analysis, to analyze the brake system performance based on established index. The obtained data through this simulation was compared with the subjective evaluation results as much as with experimental measurements results of the analyzed vehicle, analyzing the correlation of results. To the end of this study, based on the comparison between subjective evaluation and objective evaluation, it observed a brake comfort improvement for drivers, instead of this characteristic would be imperceptive in subjective evaluation. This tool will be very important in the optimum comfort curve establishment for the new developments of electro-hydraulic brake systems, called "brake-by-wire" (BBW).

Thesis. 1976. M.S.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Mechanical Engineering. / Microfiche copy available in Archives and Engineering. / Bibliography: leaves 95-97. / by David R. Lampe. / M.S.

Este trabalho apresenta um procedimento para a análise dinâmica da frenagem total de emergência de um veículo de dois eixos (4x2), considerando os efeitos do aumento da temperatura no sistema de freios. Um protótipo de ônibus urbano equipado com freios a disco foi utilizado nos ensaios em perímetro urbano e em pista de teste da TRW Automotive em Limeira- SP. O sistema de freios do veículo protótipo foi instrumentado com termopares em diversos de seus componentes, com sensores de velocidade e pressão, percorrendo um perímetro típico urbano com trânsito intenso na cidade de São Paulo. Os pontos críticos de aquecimento foram observados bem como sua tendência de aumento de temperatura no tempo. Paralelamente ao teste em perímetro urbano foi realizado um teste padrão de \"fade\" na pista da TRW Automotive, estendendo o ciclo de frenagens até se observar o aumento e estabilização da temperatura do sistema de freios. Simultaneamente aos testes de pista foi realizado um teste em dinamômetro inercial na Fras-Le, em Caxias do Sul- RS, para se obter a variação do fator de freio com a variação da temperatura do sistema de freios. Parte de um programa computacional em Matlab, que simula computacionalmente o veículo freando, foi desenvolvido, considerando os efeitos da temperatura do sistema de freios, durante frenagens totais de emergência, partindo de diferentes velocidades iniciais de frenagem. O sistema de freios em estudo mostrou-se capaz de simular a frenagem de um veículo em emergência mesmo estando em altas temperaturas, observadas no perímetro urbano. / One procedure for vehicle dynamics analysis during total emergency braking in a two axles vehicle (4x2) was showed. For this procedure the effect of increasing temperature in the brake system was considered. A bus (prototype) equipped with disc brake was used in two practical test when the bus go through: a urban rout (São Paulo city) an a TRW\'s test lane (Limeira-SP). Thermocouples were installed in several parts of the brake system as well as velocity and pressure sensors. Acquisitions of date were made during the intensive traffic of São Paulo city. Critical temperature points were observed as well as the raise temperature tendency with the time. Tests in an inertial dynamometer were also performed in Fras-Le company (Caxias do Sul- RS) to get the brake factor variation related to temperature variation of the brake system. Simulation using MatLab program to study the vehicle performance during braking was developed. In this simulation the effect of brake system temperature was considered. Two main conclusions could be obtained: MatLab model is a useful tool to study emergency braking considering the variation of brake system and the brake system studied was able to stop the vehicle in a emergency braking even under high temperature.

Hot spotting of automotive disc brakes is an undesired thermal localisation phenomenon, which is a challenge for numerical modelling in terms of both accuracy and efficiency especially for complex disc geometry. In this research, the aim was to develop a computationally efficient finite element (FE) approach for 2-piece pin-mounted ventilated disc hot spot prediction with acceptable accuracy enabling parametric studies to contribute to the knowledge of the complex mechanisms. A time reduction strategy for the simulations was established by incorporating an axisymmetric brake pad assumption with material scaling factor and the friction characteristics were defined by a user-subroutine. The computing accuracy and efficiency of this method were then verified by comparing with traditional FE models. 2D in-plane, 2D out-of-plane, and 3D models were performed to investigate the effects of ventilated disc hot spotting, radial hot spot/band migration, and hot spotting of realistic complex disc geometry respectively. Both 2D and 3D results were validated using experimental results based on a laboratory dynamometer and showed good correlation. The results suggested that adequate modelling of friction pair contact pressure distribution and the subsequent non-uniform heat generation is essential for hot spot simulation; speed was identified as the determinant for the number of hot spots, whereas hot spot temperature was determined by energy level. Furthermore, recommendations for vent design, pins, disc run-out, cooling, material selection, wear rate, pad length and loading distribution were given. Finally, hot spotting and hot band migration cause-effect chains were established based on the results and discussion.

O conforto acústico é um fator que, ultimamente, tem ganhado importância na indústria automobilística, especialmente porque o ruído de freio tem se apresentado como uma das principais causas de desconforto acústico para os usuários. Com isso, o material de atrito é alvo de contínuas pesquisas, com intenção de reduzir os ruídos, mas o sistema de freio também tem responsabilidade no ruído. O ruído de freio tipo squeal ocorre em altas frequências e destaca-se por ser o ruído de freio mais economicamente importante, pois gera elevados custos de acionamento da garantia do veículo. O squeal é induzido pelo efeito do atrito, existindo técnicas de simulação numérica para avaliar esse fenômeno, que se baseiam na análise de autovalores complexos (CEA) do sistema de freio. Os trabalhos encontrados na literatura tratam quase exclusivamente sobre sistemas de freio a disco. Diante disso, esse trabalho visa apresentar uma metodologia de análise de instabilidade dinâmica em sistemas de freio a tambor, considerando os efeitos de amortecimento. É utilizado o programa ANSYS e o Método dos Elementos Finitos para realizar esse estudo. Ao longo do trabalho são apresentadas discussões sobre fatores de influência nas frequências auto excitadas, como amortecimento, coeficiente de atrito e pressão de acionamento. A técnica de CEA é aplicada a dois sistemas de freio a tambor, com geometrias diferentes, sendo os dois casos validados através da comparação com resultados veiculares. Os modelos numéricos são ferramentas muito úteis, e a referida análise fornece grande vantagem no desenvolvimento de um sistema de freio acusticamente confortável. No entanto, os parâmetros de entrada no modelo numérico precisam ser coerentes e cuidadosamente definidos. A metodologia se mostrou adequada para avaliar o fenômeno de acoplamento modal induzido por atrito. / Acoustic comfort has become increasingly important nowadays, especially because brake noise is one of the major causes of acoustic discomfort to the users. Thus, the friction material is a continuous research target, intended to reduce noise, but bearing in mind that the brake system also has responsibility in noise. The squeal noise occurs at high frequencies and stands out for being the most economically important type of brake noise, because it generates high costs of the activation of the vehicle warranty. Squeal noise is induced by friction, and there are numerical simulation techniques to assess this phenomenon, which are based on the complex eigenvalues analysis (CEA). Studies in the literature deal almost exclusively on disc brake systems. Therefore, the present work addresses the dynamic instability analysis methodology applied to drum brake systems, where the damping effect is considered. It is used ANSYS and the Finite Element Method program to perform this study. The influence of damping, friction coefficient and working pressure on the self-excited frequencies of the brake system are discussed throughout this work. CEA technique is applied to two drum brake systems, which have different geometries. These two cases are validated by comparison with results obtained in vehicle tests. The numerical models are very useful tools, and this analysis provides great advantage in developing an acoustically comfortable brake system. However, the input parameters in the numerical model must be carefully defined and consistent. The methodology proved to be adequate to evaluate the modal coupling phenomenon induced by friction in drum brake systems.