Academic literature on the topic 'Freins à disque – Vibrations – Bruit'

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des recherches destinées à réduire ou à éliminer le bruit de crissement émis par les véhicules ferroviaires en courbe ou au freinage. Ces bruits peuvent en effet atteindre des niveaux sonores très élevés, jusqu’à 105 dB(A) à proximité des rames en cas de freinage par exemple, et constituent une gêne importante pour les usagers et les riverains. Afin d’apporter des solutions de réduction de ce bruit de crissement, on se concentre sur la modélisation des vibrations auto-entretenues de structures avec contact frottant ainsi que sur la compréhension des mécanismes à l’origine du crissement résultant, en particulier dans le cas d’un frein à disque ferroviaire. On fait l’hypothèse que les vibrations ont pour origine un couplage de modes de la structure dans les directions tangentielles et normale à l’interface en contact frottant. Ce couplage entraîne une instabilité de l’équilibre quasi-statique glissant du système et l’apparition de vibrations auto-entretenues. On cherche à déterminer ces vibrations par le calcul ce qui s’effectue en deux étapes. Dans un premier temps, l’analyse de stabilité de l’équilibre quasi-statique du système permet de déterminer l’occurrence des vibrations. Dans cette thèse, deux hypothèses de modélisation du frottement – plan ou rectiligne – sont comparées dans le cas d’un modèle académique minimal. Dans le cas non-amorti, on montre que l’hypothèse simplificatrice du frottement rectiligne tend à stabiliser le système. Dans le cas amorti, on constate que les résultats établis dans la littérature pour un frottement rectiligne, en particulier le paradoxe de déstabilisation, ne sont pas facilement généralisables au cas du frottement plan bien que des similitudes existent. Dans un deuxième temps, une analyse non-linéaire est nécessaire pour déterminer les amplitudes et le contenu fréquentiel précis des vibrations auto-entretenues. Cette étape est généralement effectuée à l’aide d’une intégration temporelle numérique à partir de conditions initiales données, proches de l’équilibre glissant. En examinant l’évolution temporelle des vibrations obtenues à l’aide de cette technique, on peut distinguer d’une part le régime transitoire au cours duquel les non-linéarités apparaissent et stabilisent progressivement la solution instable, et d’autre part le régime stationnaire (ou régime de fonctionnement) où les amplitudes vibratoires sont stabilisées. Dans le cas du modèle académique, une analyse rigoureuse des échanges énergétiques au cours de l’évolution temporelle permet de mettre en évidence l’origine de la stabilisation des vibrations, en particulier la baisse du taux de puissance injectée au contact résultant de l’accumulation des événements fortement non-linéaires : décollements, adhérences ou chocs. L’intégration temporelle directe n’est toutefois pas adaptée à des modèles numériques comportant de nombreux degrés de liberté et pour lesquels la détermination du régime stationnaire est généralement suffisante pour proposer des solutions de réduction. Le surcoût de calcul engendré par le régime transitoire est en effet très limitant. C’est pourquoi, une méthode est proposée pour approximer directement le régime stationnaire dans le cas d’un système mono-instable. Cette méthode combine une technique de tir à une initialisation basée sur les observations énergétiques ci-dessus. Elle est d’abord validée sur le modèle minimal puis adaptée au modèle éléments finis de frein ferroviaire moyennant une approximation originale de la technique de tir : la réduction de l’espace des phases des conditions initiales. Les approximations des régimes stationnaires sont comparées avec ceux obtenus par l’intégration temporelle directe. Les avantages et les limitations de la méthode sont discutés
This work is part of research intended to mitigate or eliminate the squeal noise produced by railway vehicles in curves or during braking. For instance, brake noise can reach very high sound levels up to 105 dB(A) close to the trains and constitutes an important nuisance for passengers and residents in the station. In order to provide some mitigation measures, the study focuses on the modelling of self-sustained structural vibrations in presence of frictional contact and the understanding of the squeal generation mechanism, especially for of a railway disc brake. It is assumed that vibration is due to structural mode coupling in the normal and tangential directions at the frictional interface. This coupling leads to instability of the sliding quasistatic equilibrium of the system and the occurrence of self-sustained vibrations. Two steps are necessary to calculate these vibrations. Firstly, the occurrence of the vibrations is determined through the stability analysis of the quasi-static equilibrium. In this thesis, two modelling assumptions for the friction law – planar or rectilinear – are compared in the case of an academic model. Without damping, the simplified rectilinear friction law tends to stabilize the system. With damping, the results established in the literature in case of rectilinear friction, especially the destabilization paradox, cannot be applied generally in case of planar friction even if similarities may be observed. Secondly, a nonlinear analysis is necessary and performed to calculate the amplitudes and the detailed spectral content of the self-sustained vibrations. This step is generally performed by using numerical time integration from given initial conditions, close to the equilibrium. Taking a look at the vibrations time histories obtained by this technique, two different states may be distinguished. In the transient state, nonlinear forces appear and gradually stabilize the unstable solution whereas in the steady (stationary) state, vibrations are stabilized. In the case of the academic model, the cause of the stabilization is highlighted thanks to a rigorous analysis of energy exchanges, especially the decrease of the power rate injected via the contact interface resulting from the accumulation of strongly nonlinear events like loss of contact, stick or impacts. However, direct time integration is not very appropriate in the case of large numerical models with many degrees of freedom. Indeed, the additional computational cost due to the transient state is very high although the determination of the steady state is generally sufficient from a practical point of view. Consequently, a method is proposed in order to directly approximate the steady state in case of mono-instability. This method combines a shooting technique with an initialization based on the above energy considerations. It is first validated on the minimal model and then transposed to the finite element model of a railway disc brake through an original approximation of the shooting technique : the reduction of the initial conditions phase space. The estimations of the steady states are compared with those obtained by direct time integration. The advantages and the limitations of the method are discussed

En tant que radiations acoustiques intenses impliquant de conséquentes nuisances environnementales ainsi que de nombreux retours clients, le crissement des systèmes de freinage est un problème de vibration induite par frottement dépendant indubitablement de problématiques multi-physiques et multi-échelles. Parmi ces dernières, la structure du système, les paramètres opérationnels de freinage, les interfaces de contact frottant, couplés à une dépendance en température, ainsi que les non-linéarités de contact ou les aspects tribologiques, sont des éléments affectant considérablement le crissement, faisant de ce déplaisant bruit un sujet complexe à appréhender. Au sein de ce travail, le système complet de freinage est considéré, et plusieurs tendances principales sont identifiées au regard de l'influence des localisations de contact sur les émissions acoustiques.Des essais NVH sont réalisés, cette analyse implique différentes échelles d'intérêt visant à changer les caractéristiques de contact : les plaquettes de freinage sont modifiées d'une part à l'échelle macroscopique -avec la volonté de varier implicitement les zones de portance-, d'autre part à l'échelle mésoscopique -tendant à impacter l'évolution du circuit tribologique-. Le but inhérent est d'identifier les paramètres patins influençant le crissement, en affectant l'interface tribologique et engageant des différences de signatures acoustiques entre les expériences conduites.Des tests fortement instrumentés sont réalisés à l'échelle du système de frein complet, se focalisant sur différentes formes patins : le développement d'une instrumentation enrichie au travers d'un suivi in-operando des surfaces de contact via mesures thermiques, autorise l'accès à des informations de sollicitation supplémentaires, permettant le suivi des zones de portance supposées. L'emploi de méthodes de clustering est considéré afin d'analyser les données thermiques.Des simulations en stabilité impliquant corrélations expérimental / numérique sont effectuées. Des analyses sous-jacentes sont réalisées, en investiguant l'impact de caractéristiques de chanfreins sur le crissement, l'influence du coefficient de frottement, ou l'implémentation de formes globales d'usures. Qui plus-est, les simulations thermomécaniques sont ici d'intérêt, et l'introduction des zones de contact issues des méthodes de clustering est discutée.Bien que la considération du frein complet puisse impliquer de sévères dispersions expérimentales, des corrélations initiales entre les patins modifiés à différentes échelles -via des formes de patins à l'échelle macroscopique et des traitements thermiques à l'échelle mésoscopique- et les caractéristiques de bruit sont observées. Les essais avec instrumentation enrichie concluent que les localisations de contact peuvent varier pendant les tests NVH, dépendant des paramètres de sollicitation. Un lien particulier entre les conditions opérationnelles de freinage (pression, température), les localisations de contact, et le crissement est établi au travers des méthodes de clustering. Également, les tendances observées en simulation tendent à suivre celles expérimentales, et l'enrichissement des modèles via une description plus précise du contact peut présenter des améliorations quant à la capacité de prédiction du crissement de telles simulations
As intense acoustic radiations implying consequent environmental nuisances and customer complaints, squeal noises in brake systems are friction-induced vibration issues indubitably depending on multiphysics and multiscales problematics. Among these latter, system structure, braking operational parameters, frictional contact interfaces, coupled to temperature dependency, as well as contact non-linearities or tribological aspects, are elements considerably affecting squeal, making from this unpleasant noise a complex problem to apprehend. In this work, the full scale system is considered, and several principal tendencies are identified regarding the influence of contact localizations on acoustic emissions.NVH tests are conducted, this analysis involves several scales of interest aiming at changing contact characteristics: pads are modified either at the macroscopic scale -with the will of implicitly varying load bearing areas-, or at the mesoscopic one -tending to impact evolution of the tribological circuit-. The inherent purpose is to identify pads parameters influencing squeal, by affecting tribolayer as well as engaging noise signature differences between conducted experiments.Heavily instrumented tests are realized on a full scale brake system, focusing on different pad shapes: the development of an enriched instrumentation through in-operando thermal surface tracking allows to access to supplementary solicitation informations, permitting to follow the assumed load bearing area. The employment of clustering methods is considered to manage the analysis of thermal datas.Experimental / numerical correlated stability simulations are conducted. Subsequent analyses are realized, by investigating pads chamfer characteristic impact on squeal, influence of coefficient of friction, or implementation of global pads wear shapes. Furthermore, thermomechanical simulations are of interest, and the introduction of previously clustered-defined contact areas into models is realized.Although the full brake system consideration can involve severe experimental dispersions, initial correlations between modified pads at different scales -via pad shapes for the macroscopic one, and thermal treatments of friction material focusing on the mesoscopic level- and noise characteristics are observed. Enriched instrumented tests lead to the conclusion that contact localizations can evolve during NVH tests, depending on solicitation variables. A particular link between braking operational parameters (pressure, temperature), contact localizations, and squeal features is established through clustering. Finally, observed simulated tendencies tend to follow experimental ones, and model enrichment via a more accurate contact description could present improvements regarding squeal prediction capability of such simulation

Les mécanismes simplifies tendant à expliciter l'apparition de vibrations auto-entretenues dans des systèmes mécaniques présentant du frottement sec unissent en général des concepts lies a la tribologie et a la mécanique des vibrations non linéaires. Les propriétés des oscillations de stick-slip sont étudiées dans le domaine fréquentiel et une procédure numérique est proposée afin d'analyser les régimes dynamiques stationnaires pour des structures à modes multiples. A partir de résultats expérimentaux mesures sur un banc, la participation d'instabilités de stick-slip dans le crissement est écartée. Une démarche théorique, conduit à éliminer la possibilité de modéliser les instabilités de crissement par un couplage des b. D. Normaux et tangentiels au contact, du uniquement a la loi de frottement. Une méthode de résolution par les modes complexes, utilisant une expansion de la réponse des différentes structures sur leur base modale met en évidence l'existence de régimes de modes couples instables. Afin de valider cette théorie, la réalisation d'un banc expérimental a permis de reproduire et d'enregistrer des instabilités de crissement. L'application de modèles simplifies, utilisant des paramètres issus de mesures d'analyse modale du disque et de l'étrier, rend compte assez correctement de certaines fréquences fondamentales d'instabilités observées. Les calculs par éléments finis des structures libres composant un frein permettent une estimation des couts numériques d'un recalage fréquentiel, nécessaire à l'élaboration d'un modèle prédictif de crissement à la conception.

Le crissement des freins des Trains à Grande Vitesse (TGV) est un bruit aigu particulièrement gênant émis lors de l'arrivée du train en gare. Ce travail a pour but de comprendre le phénomène en vue de réduire voire de supprimer l'émission du bruit. Ce phénomène acoustique est d'origine vibratoire : le crissement des freins à disque résulte des vibrations auto-entretenues des différents constituants induites par le frottement des garnitures sur le disque. Le phénomène de frottement étant lié aux aspérités de surface, il met en évidence un problème à deux échelles où un phénomène apparaissant à l'échelle microscopique crée des vibrations dans un disque à l'échelle macroscopique (amplitude de vibration du disque de l'ordre de quelques micromètres). Les phénomènes de bruits de freinage dont le crissement fait partie sont complexes, variés et ont des origines diverses selon les points de fonctionnement du mécanisme. Un état de l'art sur les différents travaux de modélisation montre qu'une instabilité de l'équilibre stationnaire dite géométrique ou par couplage de mode permet de mobiliser les modes de vibration responsables du crissement et ceci à coefficient de frottement constant. D'un point de vue modélisation, ces constatations nous orientent vers un modèle de mécanique des milieux continus déformables dans l'hypothèse de petites transformations. Beaucoup de travaux sur les vibrations auto-entretenues s'intéressent à la stabilité de l'équilibre mais font un raccourci rapide entre fréquences des modes instables et solution transitoire. Les travaux numériques traitant de la caractérisation de ces évolutions transitoires mettent en évidence des événements fortement non linéaires sous la zone de contact (comme de 'adhérence ou du décollement à cause de l'unilatéralité du contact). Un premier objectif de ce travail est l'étude de l'évolution des perturbations proches de l'équilibre vers la solution transitoire. Cette étude permet de mettre en évidence les liens entre les fréquences caractéristiques de cette solution transitoire (fréquences de crissement) et les fréquences des modes de stabilité. Le cas particulier d'un mécanisme de frein à disque TGV simplifié tridimensionnel est choisi. La transition entre l'évolution des perturbations proches de l'équilibre et l'évolution transitoire est étudiée grâce à une méthode originale de projection sur les modes de stabilité. Elle permet une étude spatiale et temporelle des champs vibratoires solutions. Son application sur le modèle simplifié de frein à disque est rendue possible grâce à une formulation eulérienne du problème. D'un point de vue calcul de structures, les solutions transitoires ont été déterminées grâce à des algorithmes et des stratégies numériques adaptés permettant de tenir compte du caractère non régulier du comportement du contact unilatéral frottant dans le cadre dynamique (tel que les situations de choc). L'instabilité de l'équilibre par couplage de mode est le mécanisme générateur de vibrations auto-entretenues privilégié dans la littérature. Qu'en est-il sur le mécanisme de freinage TGV? Cette question nous a conduit dans un premier temps à observer le comportement du mécanisme réel grâce à des campagnes d'essais. Dans un deuxième temps, elle nous a conduit à proposer un modèle de frein TGV réaliste. L'étude de la stabilité de l'équilibre a permis de prédire les fréquences de crissement mesurées. Elle a aussi permis de préciser le mécanisme physique de couplage de mode ainsi que sa dépendance vis à vis des caractéristiques physiques des garnitures. La connaissance de ce mécanisme physique est un fil conducteur robuste dans la recherche de solutions de réduction du bruit.

Le crissement des freins a disque est une vibration auto entretenue due au frottement. Ce phenomene est interprete dans cette these comme une instabilite par flottement de la solution frottante stationnaire. Les equations qui regissent la solution frottante stationnaire sont analysees (existence et unicite de la solution). Une analyse theorique de la stabilite de cette solution est menee. Une approche numerique par elements finis est proposee pour le calcul de cette stabilite. Cette approche est mise en uvre pour etudier le crissement des freins a disque. L'approche numerique est validee par confrontation a des resultats analytiques (stabilite du glissement d'une couche elastique sur un massif rigide, et des deux couches elastiques l'une sur l'autre).

Dans l'industrie automobile, le bruit reste un problème majeur. Le crissement de frein est un bruit moyenne-haute fréquence renforcée par les vibrations du système et par un couplage de modes instable entre les composants. On suppose également que les propriétés du contact entre la plaquette et le disque jouent un rôle. Le but de ce travail est de lier l'apparition du crissement avec les transformations du matériau de friction et de son profil. Trois formulations de matériaux simplifiées sont testées. Ces formulations sont comparées à une plaquette de frein commerciale. Une forte hétérogénéité des propriétés mécaniques et thermiques est constatée. Des essais de bruit sont exécutés sur des systèmes de freins pour comparer les formulations. On note une forte influence de la formulation, de la température et de l'historique de freinage sur les occurrences de crissement. Des essais sur banc ont été réalisés à différents états de frottement: vierge, avant et après une charge thermique élevée, etc. L'originalité de ce travail est d'étudier l'évolution du matériau de friction avec la séquence de freinage et en particulier ses propriétés mécaniques et ses hétérogénéités. Ces propriétés sont considérées à la surface et dans le volume via des tests d'indentation. Il est montré que l'évolution des propriétés est liée à des seuils de dégradation du matériau avec la température atteinte au cours de la séquence de test. L'hétérogénéité et la distribution des propriétés de contact et de volume, implémentés dans le modèle numérique d'un système de freinage simplifié pour analyser la stabilité dynamique, semblent avoir un rôle important dans la stabilité du système
In the automotive industry, noise is a major problem. Brake squeal is a medium-high frequency noise reinforced by system vibrations and mode lock-in between components. It is assumed the contact properties the pad and the disc play an important role. The aim of this work is to link squeal occurrence with transformations of friction material and profile. Three simplified friction material formulations were tested. These formulations are compared with a commercial brake pad. Significant heterogeneity is observed regarding mechanical and thermal properties. Noise tests are performed on brake systems to compare formulations. A strong influence of formulation, temperature and braking history is observed on squeal occurrence. Following these acoustic tests, additional tests were stopped at different states of friction: at virgin state, before and after a high thermal load, in silent or noisy conditions. The originality of this work is to consider the evolution of the friction material with braking sequence and especially its mechanical properties and their heterogeneities. These properties are separated in two levels: at the surface and onto the volume via indentation tests. It is shown the evolution of the properties is linked to thresholds of material degradation with temperature reached during the test sequence. The heterogeneity and distribution of the volume and contact properties of the material, implemented in a finite element simplified braking system to analyse the dynamic stability, appears to have a significant role in the system stability

Le crissement des freins à disque est un phénomène sonore indésirable dû au frottement des garnitures sur le disque. Ce système dynamique autonome non-linéaire génère des vibrations auto-entretenues responsables d'émissions sonores pouvant atteindre 110dB. Les études actuelles se limitent principalement à l'analyse de stabilité qui surestime généralement le domaine d'instabilité. L'objectif de cette thèse est donc d'étendre l'étude du crissement de frein au domaine non-linéaire à l'aide de méthodes moins coûteuses numériquement que les traditionnelles méthodes temporelles. Dans un premier temps, nous nous sommes tout d'abord intéressé à la modélisation simplifiée d'un système de frein composé d'une garniture et d'un disque de frein. Nous avons réduit ces éléments aux interfaces de contact permettant ainsi de garder les non-linéarités tout en traitant des modèles de plus petite taille. Dans un second temps, nous avons développé une méthode non-linéaire originale qui, basée sur les méthodes classiques de balance harmonique, permet de calculer la réponse dynamique des systèmes autonomes non-linéaires. Cette méthode, applicable sur des systèmes soumis à un ou plusieurs modes instables, est capable de calculer des réponses périodiques ou pseudo-périodiques. Enfin nous avons appliqué cette méthode sur le modèle réduit de frein et montré son avantage en terme de coût numérique. Cette étude a également permis de mettre en avant des phénomènes non-linéaires complexes tels que l'augmentation des amplitudes avec l'ajout d'amortissement ou encore la disparition d'un mode instable dans la réponse dynamique.

Le crissement est un bruit strident fréquemment produit par les systèmes de freinage de tous les types de modes de transport (automobile, aéronautique, ferroviaire,...). Dans le domaine ferroviaire, les niveaux acoustiques liés au crissement peuvent dépasser les 110 dB à un mètre du bord du quai. Ceci constitue non seulement un inconfort, mais aussi un risque pour la santé des clients et du personnel en gare. De précédents travaux ont identifié les garnitures de frein comme levier potentiel pour diminuer le crissement. Le projet AcouFren, mené par la SNCF, vise à développer des outils d'aide à la conception et à la spécification de garnitures de frein ferroviaire peu crissantes. Cette thèse s'inscrit dans ce projet et propose une étude numérique et expérimentale du crissement des freins à disque ferroviaires et plus particulièrement de TGV. Elle comporte une partie expérimentale et des développements numériques visant à obtenir des simulations numériques fiables et rapides du crissement. L'étude expérimentale permet de montrer la richesse des phénomènes de crissement pouvant survenir lors d'un freinage et de montrer les écarts et les ressemblances qu'il peut y avoir entre un freinage d'arrêt et un freinage de maintien. À partir de ces constats, les attentes vis-à-vis de la modélisation numérique proposée sont données : il s'agit de pouvoir reproduire les phénomènes présents dans les freinages de maintien. Afin d'estimer les niveaux vibratoires, le choix d'une simulation temporelle non-linéaire transitoire et stationnaire est fait. Une fois la modélisation numérique choisie, une méthode de résolution fondée sur un lagrangien augmenté est mise en œuvre. Des paramètres de la méthode optimisés sont proposés et permettent de réduire significativement les coûts de calcul. Le temps nécessaire à des simulations de dynamique non-linéaire transitoire reste toutefois prohibitif sans réduction. Une proposition de réduction de Ritz utilisant les modes complexes du système est proposée. Cette approche est testée sur un modèle académique simple afin de pouvoir quantifier l'effet d'une réduction sur un modèle nonlinéaire déstabilisé par le frottement. Si la réduction est possible, de nombreux phénomènes qu'elle induit sont mis en évidence. Les seules bases de réduction permettant une reproduction fidèle du comportement dynamique non- linéaire transitoire et stationnaire du système sont celles comportant l'ensemble des modes complexes dans une gamme de fréquence ainsi que les modes statiques d'interface. Enfin, la stratégie numérique complète est testée sur un modèle simplifié de frein TGV. La méthode de réduction proposée permet de gagner un facteur 6 en temps de calcul par rapport au modèle non réduit. La confrontation à l'expérience montre un accord satisfaisant avec la simulation : les fréquences émergentes et les niveaux vibratoires sont correctement approchés.