Bremsen: Neue Ansätze zur Schalldämpfung

Eine Studie an der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) hat die Entstehung von Schwingungen bei Bremsen – kein Scherz! – mit der Schwingungserregung bei Streichinstrumenten verglichen. Dabei konnten verschiedene Lösungsansätze zur Lärmverminderung bei Fahrzeugen erarbeitet werden.

Alfa Giulia Bremse und Felgen

In der Studie „Untersuchung der Wirkmechanismen reiberregter Haft-Gleit-Schwingungen am Beispiel des Bremsenknarzens und analoger Schwingungsphänomene“ fanden Prof. Dipl.-Ing. Holger Marschner, Professor für Fahrzeugtechnik an der Frankfurt UAS, und sein Team heraus, dass die Tonerzeugung bei Streichinstrumenten dem Entstehen eines Knarzens bei Bremsen gleicht. Die sichtbaren Schwingungen einer Geigen-Saite ließen sich gut mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmen und berechnen. Diese Berechnungen sollen dann auf das Schwingverhalten einer Bremse übertragen werden können, das mit dem bloßen Auge nicht mehr sichtbar ist. Wie bei der Bremse sei bei der Geige die richtige Kombination aus Anpresskraft, (Streich-)Geschwindigkeit und Reibwert entscheidend.

Das sogenannte Bremsenknarzen ließe sich reduzieren, indem die Haft-Gleitreibwerte zwischen Bremsbelag und Scheibe angeglichen werden, die Strukturdämpfung erhöht werde sowie die Bewegungsspielräume der Einzelteile der Bremse verringert werde, teilen die Forscher in einer Meldung mit. Ein weiterer Ansatz bei der Geräuschminimierung sei, einzelne Resonanzfrequenzen zu separieren. „So werden Frequenzüberlagerungen vermieden, die für das charakteristische unangenehme Geräusch einer knarzenden Bremse sorgen. Weitere Einflussgrößen bilden Massen, Trägheitsmomente und Elastizitäten des Rades und des Fahrwerks.“

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Der Haft-Gleit-Prozess („Stick-Slip-Prozess“) entsteht bei einer Geige laut der Forscher folgendermaßen:

Beim Streichen einer Saite mit dem Bogen wirken verschiedene Kräfte auf die Saite, die Anpresskraft des Bogens – in Verbindung mit der Haftreibung der Bogenbespannung – sowie die Rückstellkraft der Saite. Die Anpresskraft führt die Saite mit dem Bogen mit, die Rückstellkraft lässt sie wieder zurückgleiten; die Saite „schwingt“. Auch zwischen dem Bremsbelag und der Bremsscheibe entstehen Haft-Gleit-Schwingungen. Diese treten auf, wenn der Fahrer eines Fahrzeuges die Bremsen beim Anfahren aus dem Stillstand langsam löst; eine typische Situation hierfür wäre das Anfahren an einem Hang. Bei einem sehr langsamen Lösen der Bremse und gleichzeitiger Fahrzeugbewegung entstehen zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe die gleichen Ausgangsbedingungen wie zwischen Bogen und Saite. Bei zunehmender Geschwindigkeit erfolgen dabei die Haft-Gleit-Phasen in einem so dichten Abstand, dass ausgeprägte Geräusche zu hören sind: das „Knarzen“ der Bremsen. Wie bei einer Geigensaite, die eine Grundschwingung mit zahlreichen Obertönen erzeugt, entstehen bei Bremsen mehrere Schwingungen in ähnlichen Tonfrequenzen, die sich überlagern können und harmonische (sinusförmige) Verläufe einnehmen.

Andere Bremsgeräusche, wie das „Quietschen“ oder das „Muhen“ von Bremsen, ließen sich nicht auf Haft-Gleit-Schwingungen zurückführen. So entstehe das Bremsenquietschen durch eine dynamische Instabilität der Bremse, die sogenannte Modenkopplung. Im Gegensatz zum Bremsenknarzen könne der Stick-Slip-Effekt hierbei die Schwingungen begrenzen, so dass das Quietsch-Geräusch einen bestimmten Schallpegel nicht überschreitet. Die vielfältigen Erregungsmechanismen für Bremsgeräusche sollen sich sich dabei gegenseitig beeinflussen und die Entwicklung einer sicher funktionierenden und gleichermaßen geräuschfreien Bremse erschweren.

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