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Analyse et prédiction des comportements thermomécanique et dynamique de structures en contact frottant : application au freinage

/ Dufrénoy Philippe / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 2003
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Le contact frottant avec forte dissipation d'énergie, tel que rencontré dans le freinage, est le siège de nombreux phénomènes physiques: tribologiques, thenniques, mécaniques et vibratoires. Les travaux présentés ici visent à traiter des couplages entre ces phénomènes ainsi que de leurs aspects multi-échel1es : de celle microscopique de l'interface à celle macroscopique des structures et du système. L'application au freinage est particulièrement visée. Au point de vue vibratoire l'application au crissement des roues en courbe est également traitée. Du point de vue thermique, un modèle d'interface de contact est proposé, constitué d'une couche homogène de 3eme corps avec génération volumique de chaleur associée aux mécanismes d'accommodation de vitesse. Des investigations expérimentales couplant mesures infrarouges et observations des surface ont pennis de valider partiellement le modèle et d'associer les zones d'échauffement aux surfaces dégradées, mat érialisées par la présence de creux de surface et de 3ème corps compactés sous fonne de plaques planes portantes. Pour les aspects thermomécaniques, l'apport a été d'identifier les différents gradients thenniques apparaissant en surface des disques de frein et de les associer à des mécanismes physiques: les bandes chaudes sont associées aux variations radiales des conditions de contact de la garniture induites par les bouclages thennomécaniques; les points chauds macroscopiques sont associés à un processus évolutif de défonnation hors plan du disque. Cette proposition, qui diffère de celles de la bibliographie, conduit à une prédiction visiblement concluante du nombre des points chauds et de leurs conditions d'apparition. Sur la problématique de la fissuration, une analyse phénoménologique de disques fissurés, étayée par des simulations numériques thennomécaniques, a pennis d'avancer des explications quant à la fonnation du faïençage et à l'apparition, s ous certaines conditions, de fissures macroscopiques. Un modèle d'amorçage original a également été proposé, basé sur une intégrale de contour en dilatation, étendue à la thenno-plasticité. L'étude des problèmes d'origine dynamique, qui mettent en cause le système complet de freinage, a conduit à proposer un modèle du comportement dynamique du frein. Le lien avec la réponse thermomécanique du disque permet l'obtention de la loi d' excitation normale au contact, en effort. Dans l'étude vibro-acoustique des roues ferroviaires, les apports résident dans l'identification des modes crissants, grâce au modèle d'excitation proposé et dans l'explication de l'atténuation sonore obtenue par insertion d'un jonc métallique. Contrairement à la bibliographie où la dissipation par frottement est mise en cause, l'atténuation est plutôt associée aux impacts du jonc dans la gorge. L'un des points forts de la démarche d:étude, commune aux travaux présentés, réside dans- le fait d'appréhender les problématiques en tant que processus évolutif du comportement des structures et des matériaux. avec enchaînement de mécanismes physiques successifs. Ce qui permet d'étendre le champ de compréhension des problèmes liés au contact frottant.

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