Numerical and experimental investigation on disc brake vibration phenomena

UNIVERSITÀ DI PISA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E

INDUSTRIALE

DOTTORATO DI RICERCA IN

INGEGNERIA INDUSTRIALE

AGENDA DI

FORMAZIONE

DOTTORATO DI RICERCA IN

INGEGNERIA INDUSTRIALE

AGENDA DI

FORMAZIONE

Allievo/a: Romulo do Nascimento

Rodrigues

Curriculum: Ingegneria Meccanica

Ciclo I

Indice

B

B

R

A

Attività di formazione

Attività di ricerca

Attività didattica

V

Breve Biografia

Questa la metteremo in un annuario dei Dottori di ricerca, se possibile preparatela sia in IT / EN, max 150 parole.

Romulo do Nascimento Rodrigues è nato a Fortaleza, in Brasile il 03/03/1987. Si è laureato in Ingegneria Meccanica presso l'Università Federale di Paraíba(UFPB) nel 2011, discutendo una tesi dal titolo "Design and development of a system scanning ultrasonic Inspection for pipelines". Ha inoltre conseguito un master in Ingegneria Meccanica presso l'Università Federale di Campina Grande (UFCG) nel 2013, con una tesi dal titolo "Evaluation of the Effect of Application of Vibration Levels on Residual Stresses in Welded Joints of Steel ASTM A516 Gr. 60: A Comparison with Heat Treating and norm API 579", sull’analisi di sistemi termomeccanici. Ha ottenuto una borsa di studio Scienza senza frontiera (CSF) concessa da CAPES (Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel of Brazil) per conseguire il titolo di dottore di ricerca presso l’Università di Pisa.

Romulo do Nascimento Rodrigues was born in Fortaleza, Brazil on 03/03/1987. Has a degree in Mechanical Engineering from the Federal University of Paraíba (UFPB) in 2011, with a thesis entitled, "Design and development of a system scanning ultrasonic Inspection for pipelines". A master's degree in Mechanical Engineering from the Federal University of Campina Grande (UFCG) in 2013, with a thesis Entitled "Evaluation of the Effect of Application of Vibration Levels on Residual Stresses in Welded Joints of Steel ASTM A516 Gr. 60: A Comparison with Heat Treating and norm API 579", working with analysis of thermo-mechanical systems. He got a scholarship to study Science without Borders (CSF) granted by CAPES (Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel of Brazil) to obtain the title of Doctor of Philosophy at the University of Pisa.

Ricerca

Questa la metteremo nell’annuario dei Dottori di ricerca, se possibile preparatela sia in IT / EN,

Titolo tesi

Indagini numeriche e sperimentali sui fenomeni di vibrazioni dei freni a disco.

Numerical and experimental investigation on disc brake vibration phenomena.

Tutori

Prof. Ing. Paola Forte Prof. Ing. Francesco Frendo

Abstract della tesi (max 250 parole) Sommario

In questa tesi sono descritte le attività di ricerca condotte durante l’intero dottorato, che hanno riguardato, parallelamente ad uno studio teorico-numerico sui principali fenomeni

vibratori di freni a disco, lo sviluppo di una semplice apparato sperimentale per indagare il meccanismo di generazione di "creep groan". L’attività sperimentale è stata svolta presso il laboratorio di tribologia del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (DICI) dell’Universitàdi Pisa grazie alla collaborazione di Brembo SpA che ha fornito i materiali (campioni e dischi) per la ricerca.

La caratterizzazione sperimentale del materiale della pasticca del freno è stata effettuata su un tribometro pin on disc con il disco del freno al posto del disco del tribometro e il campione di pasticca fissato su una apposita interfaccia al posto del pin. Dopo la caratterizzazione tribologica, al fine di verificare l’influenza della variazione del coefficiente di attrito con i parametri di funzionamento e geometrici sulla stabilità del sistema frenante e sulla suscettibilità al fenomeno di squeal, sono state effettuate simulazioni numeriche in ambiente ANSYS del sistema disco-pasticca, utilizzando l'analisi agli autovalori complessi.

Dato che è generalmente accettato che il creep groan sia dovuto al fenomeno stick-slip è stato effettuata una revisione dei modelli di letteratura e sono state condotte simulazioni con alcuni dei modelli a parametri concentrati per una migliore comprensione del fenomeno.

Infine, sono state effettuate prove sperimentali utilizzando una semplice apparecchiatura sperimentale per studiare il meccanismo di generazione del fenomeno di crrep groan in cui alcuni parametri operativi, come la velocità angolare del disco, carico, così come la area di contatto, la rigidezza dei materiali dei campioni e del sistema, sono state variati e sono stato osservati i loro effetti sul fenomeno.

Abstract

In this dissertation, the activities carried out during the PhD are comprehensively described. They covered, in parallel to a theoretical-numerical study on the main vibratory phenomena of disc brakes, the

development of a simple experimental apparatus to investigate the "creep groan" generation mechanism. The experimental activity was conducted at the Tribology Laboratory of the Department of Civil and Industrial Engineering (DICI) of the University of Pisa with the support of Brembo SpA, which provided the materials (samples and discs) for the research.

The experimental characterization of the pad material was carried out on a pin on disc tribometer with the brake disc in place of the tribometer disc and the sample of pad fixed on a suitable interface in the place of the pin. After the tribological characterization, in order to determine the influence of the behavior of the coefficient of friction due to the variation of the operating and geometric parameters on the stability of brake system and in particular on its propensity to squeal, numerical simulations in ANSYS environment were carried out on the disc-pad system using the complex eigenvalue analysis.

Since it is generally accepted that brake creep groan is due to the stick–slip phenomenon an extended literature review was made on the relevant analytical models and simulations with some of the lumped parameter models were performed for a better understanding of the phenomenon.

Finally, experimental tests were carried out using a simple experimental apparatus set up to investigate the generation mechanism of the creep groan phenomenon where some operative parameters, such as angular velocity of the disc, load, as well as contact area, stiffness of material of the samples and system stiffness, were varied and their effects on the phenomenon observed.

Attività svolte

Attività di formazione

 Corsi con valutazione

Corso

English for writing and presenting

CFU

scientific papers

docente

Prof. Adrian Wallwork

Valutazione

Superati

Data

31/03/2014

Corso

Introduzione al Calcolo Tensoriale

CFU 3 docente Dott.ssa Cristina Padovani Valutazione Superati Data 31/03/2015 Corso

Advanced Methods for Material Testing

CFU

5

docente

Prof. ssa Laura Vergani Valutazione Superati Data 25/06/2015 Corso

Simulazione di Strutture Meccaniche in ANSYS CFU 3 docente Prof. Bernardo Monelli Valutazione Superati Data 25/07/2015 Corso

Electronics and sensors

CFU

6

docente

Prof. Diego `Passuello

Valutazione

Superati

Data

 Altri corsi/seminari frequentati (titolo, docente, ore/CFU, data, luogo)

Corso

Meccanica dei Continui

CFU 3 docente Prof. Massimiliano Lucchesi Data 12/03/2014 Corso

Aspetti teorici ed applicativi del Metodo degli Elementi Finiti

CFU

3

docente

Prof. Leonardo Bertini

Data

15/02/2014

Corso

Introduzione alle equazioni differenziali alle derivate parziali

CFU

3

docente

Prof. Antonio Tarsia

Data

27/02/2015

Corso

Corso de Italiano Livello A2

CFU

5

docente

Prof. Simona Mah

Data

 Altre competenze acquisite (uso software, strumenti etc.)

ANSYS

Simulink and Labview

Instrumentation with strain-gauge and Accelerometers

Corso

Contact and Friction of Elastic and viscoelastic materials on

microstructured and rough surfaces

CFU

5

docente

Prof. Andrea Trivella

Data

04/09/2015

Corso

Corso de Italiano Livello B1

CFU 5 docente Prof. Stefania Gavazzi Data 04/05/2015 Corso

Corso de Italiano Livello B2

CFU 5 docente Prof. Stefania Gavazzi Data 02/10/2015

Attività di ricerca

 Periodo all’estero (sede ospitante, docente tutor, periodo)

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 Partecipazione ai Congressi

(convegno, luogo, data, titolo lavoro presentato, presentazione poster/orale)

 XXII Congresso Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Applicata (AIMETA),Genova, 14-17 settembre 2015, Correlazione sperimentale tra coefficiente di attrito e parametri morfologici e operativi in freno a disco, presentazione orale.

 XII International Conference on Recent Advances in Structural Dynamicsics/XIII International Conference on Motion and Vibration control., Southampton (Inghilterra),3-6 luglio 2016,Finite element parametric study of the influence of friction pad material and

morphological characteristics on disc brake vibration phenomena, presentazione poster.

 WCRR - World Congress on Railway Research,Milano (Italy), 29 maggio - 2 giugno 2016, Experimental and Numerical correlations between material and morphological parameters and vibration phenomena of a disc brake, presentazione poster.

 Pubblicazioni

(convegno, luogo, data, titolo lavoro presentato, presentazione poster/orale)

Pubblicazioni in Conferenza

 XXII Congresso Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Applicata (AIMETA),Genova, 14-17 settembre 2015, Correlazione sperimentale tra coefficiente di attrito e parametri morfologici e operativi in freno a disco, presentazione orale.

 XII International Conference on Recent Advances in Structural Dynamicsics/XIII International Conference on Motion and Vibration control., Southampton (Inghilterra),3-6 luglio 2016,Finite element parametric study of

the influence of friction pad material and morphological characteristics on disc brake vibration phenomena, presentazione poster.

 WCRR - World Congress on Railway Research,Milano (Italy), 29 maggio - 2 giugno 2016, Experimental and Numerical correlations between material and morphological parameters and vibration phenomena of a disc brake, presentazione poster.

Pubblicazioni su Rivista Internationale

 Rodrigues,R. N., Forte,P., Frendo,F., "Experimental investigation on the phenomenon of 'creep-groan' on a tribometer pin-on-disk." Journal of Mechanical Engineering.(2017)

 Forte,P., Frendo,F., Rodrigues,R. N., "Finite element parametric study of the influence of friction pad material and morphological characteristics on disc brake vibration phenomena". Journal of Physics (2016)

Valutazioni ottenute

Revisori esterni Dott. Ing. Andrea Rindi

Ricercatore (SSD ING-IND/13 - Meccanica applicata alle machine)

Dipartimento di Ingegneria Industriale Università degli Studi di Firenze Via Santa Marta, 3 50139 FIRENZE Prof. Ing. Emiliano Rustighi

Institute of Sound and Vibration Research (ISVR) Faculty of Engineering and the Environment University of Southampton University Road, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom

Data di invio ai revisori: 04.01.2017 Data esame finale

16.02.2017