Bremssysteme und deren Weiterentwicklung sind ein wichtiger Teil der Produktpalette in der Automobilindustrie. Dabei stehen Sicherheit, Effizienz und Komfort im Fokus der Entwicklung. Neuartige Bremssysteme nach dem Prinzip Brake-by-Wire übertragen den Bremswunsch des Fahrers über Sensoren am Bremspedal rein elektrisch an die entsprechenden Module zur Bremsdruckerzeugung.

Kurze Bremswege und niedrige Wartungskosten

Brake-by-Wire in Verbindung mit elektrischen Antrieben sorgt nicht nur für kurze Bremswege und niedrige Wartungskosten, sondern auch für eine bessere Rückgewinnung von Bremsenergie. Dazu wird in Verzögerungssituationen Strom durch Rekuperation gewonnen, wobei ein nahtloses Überblenden von generatorischer Bremse (Rekuperation) zur eigentlichen Radbremse erfolgen muss. Zwar besteht keine hydraulische Verbindung mehr zwischen dem Bremspedal und den Bremsaktuatoren, aber trotzdem soll das Bremsgefühl dem einer Hydraulikbremse entsprechen.

Grundsätzlich ist Simulation ein integraler Bestandteil der Entwicklung auch bei den Bremsenherstellern. In den meisten Fällen lassen sich die Herausforderungen, die von den Entwicklungsingenieuren zu meistern sind, mit Simulationsunterstützung schnell und zielsicher bewältigen, speziell wenn ein unerwünschtes Verhalten auftritt, dessen Ursache nicht sofort ersichtlich ist. So lässt sich beispielsweise absichern, dass für den Fahrer das Gefühl bei der Betätigung des Bremspedals immer gleich ist, auch bei Rekuperation.

Mit Simulationen das Geräuschverhalten besser verstehen

Da neben der Zuverlässigkeit auch der Komfort – möglichst keine störende Geräuschentwicklung – ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung eines Bremssystems ist, wird die Simulation auch dazu genutzt, das Geräuschverhalten besser zu verstehen. Jedoch sind akustische Simulationen für die betreffenden Entwicklungsingenieure beim Kunden teilweise Neuland. Hier bieten sich Seminare bei CADFEM an, um an das Thema heranzuführen. Nach der Analyse der jeweiligen Aufgabenstellung empfiehlt CADFEM ein maßgeschneidertes Schulungsprogramm für die entsprechenden Ingenieure. Die anschließende Unterstützung des Kunden bei akustischen Analysen durch erfahrene Consulting-Kollegen von CADFEM führt zu schnellen und belastbaren Ergebnissen.

Auch das Bremsenquietschen lässt sich mit Simulationen eingehend analysieren und erheblich minimieren | © CADFEM Germany GmbH

Ein Beispiel für ein störendes Geräuschverhalten, dessen Ursache nicht sofort ersichtlich ist, wäre etwa ein „Ping"-Geräusch, das beim Bremsen gelegentlich auftreten könnte. Dieses könnte von den Insassen als ein Warngeräusch des Fahrzeugsystems – wie Gurt anlegen, Türen schließen oder Kraftstoffreserve – wahrgenommen werden und sie beunruhigen. In solchen Fällen lässt sich die Simulation einsetzen, um die Ursache des Geräuschs zu lokalisieren und anschließend Maßnahmen zu ergreifen, dass solche Geräusche unterbunden werden.

Eigenfrequenz von Spiralfeder oder Gehäuse ändern

In diesem Beispielfall haben Untersuchungen am Gummistempel einschließlich der Feder, dem Federgehäuse und der Lagerung gezeigt, dass hier in bestimmten Situationen störende Vibrationen auftreten können. Aufgrund des niedrigen Dämpfungskoeffizienten von Stahl wurden die Gründe für entsprechende Geräuschentwicklungen bei den entsprechenden Bauteilen vermutet. Bei einer näheren Betrachtung der Eigenfrequenzen von Federn und dazugehörigen Gehäusen sowie einer Harmonischen Akustikanalyse wurde der Geräuschpegel in Abhängigkeit von der Frequenz ermittelt. Ansys-Simulationen des dynamischen Verhaltens des kompletten Federsystems zeigten eine Korrelation der Eigenfrequenzen der verwendeten Spiralfeder und ihres Gehäuses.

So lassen sich störende Geräuschentwicklungen wie der „Ping“-Ton frühzeitig lokalisieren, bevor reale Prototypen entstehen. Durch eine einfache Variation der Feder konnten die Eigenfrequenzen von Spiralfeder und Gehäuse entkoppelt und somit „Ping“-Geräusche beseitigt werden.

Vertieftes Verständnis des Akustikverhaltens der Bremssysteme

Basierend auf einem speziellen Schulungsprogramm und vertiefender Workshops mit CADFEM Spezialisten haben die Berechnungsingenieure beim Kunden die Simulationen im Akustikbereich ausgebaut und die Quellen von Geräuschentwicklungen lokalisiert, um sie anschließend zu minimieren. Insgesamt gesehen wurde so ein vertieftes Verständnis der Dynamik und des Akustikverhaltens der Bremssysteme bei den Ingenieuren erreicht. Durch entsprechende virtuelle Tests ließen sich erhebliche Zeit- und Materialeinsparungen erzielen, bevor ein realer Prototyp gefertigt wurde.