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.

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.

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.

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.

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.

This dissertation details the methods and analysis of extensive physical tests and simulation conducted by the Center for Vehicle Systems and Safety (CVeSS) at Virginia Tech on the maneuverability, roll-stability, and brake type performance of 33-ft double trailers. Little literature exists for 33-ft doubles because they are uncommon on the U.S. roads due to current federal restrictions limiting long-combination vehicles to 28-ft doubles. With the continual rise in e-commerce, however, there is a push by package carriers on legislation to permit carriers to introduce 33-ft doubles into their fleets. Three separate studies detailed herein highlight 33-ft double trailers' off-tracking, roll-stability with stability control systems, and brake type influence on braking performance. The first study compares low-speed off-tracking of a 33-ft double to 28-ft double and 53-ft single configurations via simulation and full-scale tests. Novel numerical tractrix models are introduced and compared to existing models commonly used to evaluate low-speed off-tracking of long combination vehicles (LCVs). Unlike pre-existing models, accuracy of one of the proposed models is largely unaffected by input path resolution and regularity—a significant benefit for reducing computational cost and easing implementation for many applications. Full-scale tests are conducted at Virginia Tech and an extensive uncertainty analysis is detailed for the test procedure and measurements. Field tests compare favorably with simulations for all tested maneuvers and trailer configurations and clearly demonstrate the order from least to most off-tracking as 28-ft double, 33-ft double, and 53-ft single. The 33-ft doubles have slightly larger off-tracking than 28-ft doubles, whereas 53-ft singles have substantially larger off-tracking than 28-ft and 33-ft doubles. The second study evaluates 33-ft double straight-rail trailers rollover propensity with different stability control system implementations: stock (none), tractor electronic stability control (ESC), trailer roll-stability control (RSC), and RSC+ESC. Extensive test vehicle instrumentation and structural reinforcement are detailed for the test preparations. Tests are conducted on a test track with either driver or robot steering. On their own, both ESC and RSC clearly reduce the rollover propensity of the trailers for all maneuvers, and the trailers exhibit the highest roll-stability when both RSC and ESC are active. The tested ESC and RSC modules are off-the-shelf products from industry suppliers chosen by the program sponsor. The third study compares trailer drum and disc brake performance in three conditions: straight-line braking distance, brake type influence on RSC performance, and roll dynamics in a combined braking and turning maneuver. A braking robot is designed, fabricated, and implemented to provide precise and repeatable brake pedal application. Test results suggest that disc brakes tend to provide reduced braking distance and are less susceptible to brake fade than drum brakes. Anti-lock braking system (ABS) and suspension dynamics react differently to the two brake types. Small, noticeable differences in RSC performance are evident between the two brake types. Within the test limitations, rollover dynamics were not clearly different between the two brake types for braking-in-turn maneuvers, performed for a large range of entry speeds and brake activation delay relative to the start of steering. / Doctor of Philosophy / Due to their large size, mass, and high center-of-gravity, heavy vehicles, especially long combination vehicles (LCVs) require a substantial amount of space to negotiate turns, long distances to brake from highway speeds to a stop and are susceptible to rollover. Combination vehicles on the U.S. roads are commonly in 53-ft single trailer or 28-ft double trailer configurations. With the continual rise of e-commerce, package carriers are pursuing 33-ft double trailers to increase each vehicle's cargo volume. Before introducing these trailers into a fleet, there is a need to understand (1) if 33-ft doubles can negotiate existing routes traveled by 28-ft double and 53-ft single configurations, (2) if 33-ft doubles can benefit from existing stability control systems, and (3) how trailer brake types perform on 33-ft doubles. Three separate studies are conducted to address these topics. The first study compares off-tracking for the three mentioned trailer configurations through low-speed, real-world maneuvers via physical full-scale tests and simulation. Off-tracking is a metric illustrative of maneuverability and is defined as the relative distance in paths of the rearmost axle to the lead steer axle. New mathematical models are introduced and used to simulate vehicle motion through low-speed maneuvers. The simulation and field tests determine that, for all tested maneuvers, the order from smallest to largest off-tracking is 28-ft double, 33-ft double, and 53-ft single configurations, with the 33-ft doubles having slightly larger off-tracking than 28-ft doubles. This suggests that 33-ft doubles can travel through routes typically traveled by a 53-ft single but need slightly more space on the road than a 28-ft double. The second study tests 33-ft double trailers with and without stability control systems. Tests, conducted at a test track, are designed to replicate real-world maneuvers that induce trailer rollover. It is found that the 33-ft double trailers are clearly less likely to rollover with the tested stability enhancement systems than without. The tests also illustrate that the different tested control systems' effectiveness in reducing rollover propensity is maneuver dependent. The third study tests the braking distance, brake influence on the stability control systems, and rollover dynamics while braking-in-turn for two different types of brakes, drum brakes and disc brakes. Small but evident differences in the performance of the two brake types suggest disc brakes could provide shorter stopping distance and time at highway speeds, compared with drum brakes. The studies detailed in this dissertation provide valuable information on 33-ft doubles dynamics and provide guidance for their safe introduction on the U.S. roadways.