Literatura académica sobre el tema "Freins à disque – Propriétés thermomécaniques"

Les limites actuelles des freins à disques ferroviaires sont principalement issues des échauffements considérables en surface des matériaux de friction. Ce travail a pour objet de présenter une optimisation de la structure et de la forme d'une garniture de frein, dans le but d'améliorer le contact frottant et par conséquence de réduire les températures et les gradients thermiques correspondants. Cette démarche fait suite à la mise au point d'un algorithme de simulation du comportement thermomécanique des freins a disques, base sur l'enchaînement d'une résolution thermique et thermomécanique avec la résolution du problème de contact et la prise en compte du phénomène d'usure. L'incidence de l'optimisation sur les échauffements est quantifiée ainsi que sur les propriétés tribologies : l'usure globale du disque et de la garniture ainsi que le coefficient de frottement. La mesure de température par thermographie infrarouge sur l'objet tournant, a permis de valider les modèles élaborés.

Un modèle de loi de comportement élastoviscoplastique à température variable à été développé pour la prévision du comportement d'un acier utilisé dans la fabrication des disques de frein pour matériel ferroviaire sous chargements thermomécaniques variables. Ce modèle tridimensionnel permet la description de plusieurs phénomènes tels que la thermoélasticité, l'ecrouissage isotrope, l'ecrouissage cinématique non linéaire, le fluage, la relaxation, les effets de vitesse de charge, et l'effet de mémoire de la déformation plastique rarement pris en compte. L'identification de ce modèle a été effectuée grace à une première campagne expérimentale basée sur des essais de fatigue uniaxiaux isothermes entre 20 et 600°C. Le logiciel AGICE (developpé à l'ONERA) a été utilisé pour cette identification. Des analyses metallurgiques ont été effectuées, d'une part sur les éprouvettes d'essais cylindriques et d'autre part sur un morceau d'un disque usagé, Dans le but d'une part d'une meilleure compréhension du comportement de ce matériau sous chargement isotherme, et d'autre part de mettre en évidence les phénomènes mis en jeu lors du freinage. Ces phénomènes physiques intervenant lors du freinage (recristallisation secondaire,) doivent être pris en compte ultérieurement lors de l'extention du modèle pour des températures supérieures à 600°C. Une deuxième campagne d'essais uniaxiaux de traction-compression à température variable a été réalisée dans le but d'accéder à une connaissance approfondie du comportement mécanique anisotherme et de vérifier la précision de la formulation proposée. Une simulation par éléments finis utilisant le logiciel CASTEM 2000 a permis de vérifier que les résultats numériques obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux isothermes et anisothermes

Les matériaux de garniture de frein ferroviaire haute énergie sont des composites à matrice métallique de formulations complexes et fortement hétérogènes. L’orientation vers ce type de matériau découle des nombreuses performances que le système de frein à disque doit assurer : tribologique (frottement, usure), thermomécaniques (intégrité en température), acoustiques (crissement). De nouvelles normes environnementales conduisent à des évolutions nécessaires des garnitures vers par exemple, des formulations à basse teneur en cuivre. La complexité des formulations conduit à des développements principalement empiriques. Il est proposé dans ce travail de développer des méthodologies améliorant la compréhension du lien entre la formulation des matériaux de friction et ses performances en freinage. Le premier volet des travaux exposés consiste en des caractérisations microstructurales couplées à des mesures de propriétés thermophysiques des matériaux. Celles-ci menées sur des matériaux neufs et après sollicitations de freinage ont montrées des évolutions significatives. Le second volet de l’étude concerne les essais à l’échelle réduite permettant d’atteindre des sollicitations analogues à celles durant des essais de performances à l’échelle 1. Les échantillons de dimensions réduites simplifient les analyses tribologiques. Le dernier volet des travaux s’intéresse aux aspects vibroacoustiques via des essais sur un système simplifié qui mettent en évidence le rôle du circuit tribologique. Outre ces apports méthodologiques, l’étude montre l’impact des axes de développement des nouvelles formulations. Des explications sont données sur les liens entre la formulation, propriétés et performances thermomécaniques, vibroacoustiques et tribologiques des garnitures. Tout comme les méthodologies proposées, elles doivent permettre d’améliorer les développements futurs
High energy railway brake materials are metallic matrix composite with complex and highly heterogeneous formulations. The technological choice towards this type of material for brake pads stems from the many performances that disc brake system must ensure: tribological performances (friction coefficient, wear), thermomechanical performances (integrity in temperature), acoustic performances (squeal). New international environmental standards, lead to evolutions of pad formulations, consisting of reduce copper content. Because of complexity of the formulations, the developments are empirical. It is proposed in this work to develop methodologies that improve the understanding of the link between the formulation of friction materials and their braking performances. The first part of the works consists of microstructural characterizations of the materials on new materials and after braking solicitations showing significant evolutions. The characterizations are coupled with measurements of the thermophysical properties. The second part of the study concerns reduced scale tests that achieve similar solicitations to full scale performance braking tests. Reduced scale samples simplify tribological analysis. The last part of the work focuses on vibroacoustic aspects by studying squeal tendency of a simplified system that highlight the role of the tribological circuit. In addition to these methodological contributions, the study shows the impact of the development axes of the new formulations. Explanations are given on the links between the formulation, properties and performances: thermomechanical, vibroacoustic and tribological. As the proposed methodologies, they must allow to improve prospective material developments

L'augmentation continue des énergies et des puissances de freinage des systèmes ferroviaires a conduit peu à peu les disques de freins vers leurs limites d'utilisation, mises en évidence par des échauffements thermiques considérables (supérieurs à 1000°C) et par l'apparition de fissures en surface des pistes de frottement. Les travaux présentés ont consiste à développer des modèles numériques du comportement thermomécanique des disques de freins, afin de mieux comprendre les phénomènes engendrés et de prédire les niveaux de performance et d'endurance face à une sollicitation donnée. Pour appréhender les gradients thermiques effectifs de surface, la dynamique de contact de la garniture est introduite, régie par les variations de l'usure, des dilatations thermiques, des champs de pression de contact, des caractéristiques des matériaux ou encore des déformations plastiques. L'utilisation de techniques expérimentales récentes par thermographie infrarouge sur objets tournants, s'est avérée cruciale pour la mise en évidence des phénomènes tels que les cercles de feu et pour la validation des modèles numériques correspondants. Il a pu être montré expérimentalement et numériquement que le développement de points chauds stabilisés sur la surface du disque pouvait provenir du flambement du disque dû à l'état de compression circonférentielle, et qui serait initié lors de la transition élasto-plastique. La présence de ces points chauds correspond à la sollicitation thermomécanique la plus endommageante pour le disque, pour laquelle il a pu être démontré le risque d'une sollicitation caractéristique de la fatigue thermique oligocyclique, dont les premiers calculs montrent qu'elle peut être à l'origine de la fissuration des disques. La compréhension de ces phénomènes et les modèles développés doivent permettre de définir et de repousser les limites des systèmes actuels, afin d'augmenter les capacités de charge et les vitesses de service des véhicules ferroviaires.

L'occurrence en service commercial de fissures macroscopiques dans certains disques de frein TGV a pu être reliée au type de garniture utilisé. L'objectif de cette thèse est de comprendre cette relation, d'identifier les paramètres d'influence et de proposer des voies d'amélioration pour la conception de garnitures à risque de fissuration réduit. Le comportement thermique de quatre couples disque-garnitures est d'abord analysé par le biais d'une campagne expérimentale de freinage originale. Elle met en évidence différents types de localisations thermiques et permet d'identifier des signatures thermiques caractéristiques des garnitures. Le lien entre localisations thermiques et risques de fissuration est ensuite établi à l'aide d'une modélisation thermomécanique. Des indicateurs tenant compte des caractéristiques spatiales et temporelles des localisations thermiques ainsi que des niveaux de température atteints sont proposés. Ils permettent de classer les garnitures testées dans un graphe de " criticité ". Enfin, une étude d'influence des caractéristiques mécaniques et thermiques des garnitures sur les localisations engendrées permet de dégager des préconisations et des voies d'amélioration pour la conception de nouvelles garnitures. La caractérisation expérimentale du comportement de deux nouvelles garnitures, l'une s'approchant le plus des préconisations faites, l'autre s'en éloignant fortement, montre la pertinence de l'approche développée et la validité des préconisations

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

L'observation du comportement thermomécanique des freins illustre un cas pratique de fatigue en présence de points chauds répartis angulairement sur la surface du disque. Dans le but de prédire la fissuration des disques, une approche énergétique est développée, qui vise à définir un seuil d'énergie au delà duquel on aura apparition d'une fissure macroscopique. Sur la base de l'intégrale M définie dans le cas élastique par Knowles et Sternberg pour une symétrie de dilatation, le comportement thermoplastique est introduit. A partir de l'inégalité de Clausius-Duhem et de la formation d'un lagrangien dans le cas de la thermoplasticité, le comportement thermoplastique est introduit dans l'intégrale M par le théorème du lagrangien nul. On peut alors, par l'utilisation du théorème de Noether obtenir une intégrale M* composée d'une intégrale de contour et d'une intégrale de surface. M* est indépendante du contour sous réserve de respecter les conditions d'obtention de la symétrie variationnelle. Ces conditions sont très sévères dans un espace à deux dimensions elles correspondent à une uniformité des déplacements. Seule la solution du problème de Flamant peut répondre à ces conditions. L'étude d'une sollicitation thermique dans le cadre du cylindre épais, pour lequel l'uniformité des déplacements n'est plus respectée, montre la nécessite de modifier l'intégrale M* si l'on veut obtenir l'indépendance du contour. Une modification des intégrales utilisées dans le cas du cylindre épais dans le domaine élastique et thermoplastique est proposée pour rendre ces intégrales indépendantes du contour. La modification de ces intégrales est ensuite généralisée aux applications ou le déplacement est du type u = r-[alpha]. Différents exemples d'applications permettent de valider la conformité des résultats théoriques et numériques.

Le sujet de ce travail trouve son origine dans la préoccupation industrielle d'augmenter la longévité des disques de freins et leur résistance à des sollicitations de plus en plus sévères liées aux vitesses atteintes par les trains à grandes vitesses. La solution envisagée ici est de protéger les disques par un revêtement de carbures de chrome mélangés à un liant nicr, de manière à limiter l'usure et l'élévation de température lors du freinage. L'une des principales limitations à l'utilisation des revêtements est liée à leur capacité d'adhérer au substrat. La recherche de tests d'adhérence quantitatifs, se prêtant à une modélisation, est donc un problème actuel. A partir d'une interprétation nouvelle des résultats du test d'indentation interfaciale, nous proposons une modélisation de l'adhérence reposant sur l'existence d'une charge critique d'indentation indépendante de l'épaisseur de revêtement en l'absence de contraintes résiduelles. Lorsque ces contraintes sont présentes, l'adhérence est diminuée d'autant plus fortement que l'épaisseur de revêtement est faible. Le modèle développé permet, d'une part, d'expliciter l'influence de la dureté du substrat sur l'adhérence du revêtement de carbures de chrome étudié ici et, d'autre part, de contrôler l'effet des sollicitations thermo-mécaniques générées au cours d'essais de cyclage thermique et d'essais de frottement. Pour ces derniers, le choix du matériau de garniture est très important. En effet, pour une garniture constituée de fer et de cuivre frittes, nous montrons, par diffraction des rayons X, que des transformations métallurgiques peuvent apparaître au cours du frottement. Par conséquent, pour appliquer le revêtement de carbures de chrome aux disques de freins, il est nécessaire d'utiliser un matériau de garniture de dureté plus élevée que le matériau actuel afin de diminuer le coefficient de frottement et corrélativement les niveaux de température atteints dans les garnitures et dans les timoneries.

Le travail développé dans ce mémoire est une contribution à l’étude des transferts de chaleur dans un dispositif de freinage à disques. L’étude est effectuée par voies théorique, numérique et expérimentale. Une solution analytique est établie pour déterminer la distribution 3D de la température dans le disque en régime périodique établi. Des modélisations numériques 3D transitoire sont également développées. Les résultats de ces modélisations ont permis d’analyser les évolutions des températures et de déduire les gradients thermiques dans l’intégralité du dispositif traité. Ces éléments sont précieux pour l’étude du comportement thermomécanique du disque de frein (contraintes, déformations, efficacité et usure). Deux modèles inverses sont développés pour déterminer les températures et les paramètres de contact au niveau de l’interface disque-plaquette (coefficient du partage de flux et résistance thermique de contact). Des mesures thermiques par thermocouples ont été effectuées à l’aide d’un dispositif monté sur un tour d’usinage. Les résultats expérimentaux sont ensuite utilisés pour la procédure d’identification des paramètres de contact
The work developed in this thesis contributes to the knowledge of the thermal behaviour of a disc–brake system. The problem is studied from three different approaches: analytical, numerical and experimental. An analytical solution has been developed to determine the 3D steady temperature distribution in the disc. Three-dimensional numerical simulations of the transient state have also been performed. The results enable us to analyze the evolution of temperatures and to deduce from them the thermal gradients. These gradients are fundamental for the study of the thermomechanical behaviour of the system (constraints, deformations, effectiveness and wear). Two inverse models are developed to determine the temperatures and the contact parameters at disc-brake pad interface (local heat partition coefficient and thermal contact resistance). Measurements by thermocouples were taken using an experimental device mounted on a lathe. The experimental results are then used for the procedure of contact parameters estimation

Le freinage roue-semelle, principalement utilisé dans le transport frêt, est un système ancien mais qui reste économique de par son architecture. Il présente l'inconvénient majeur de solliciter directement la roue. Les enjeux sécuritaires et de performances nécessitent des procédures d'homologation longues et coûteuses pour l'acceptation d'une roue ou d'une semelle en service commercial. Cette étude vise à développer des outils numériques permettant la présélection d'un couple roue-semelle face à une application donnée et le développement de nouvelles solutions. Les objectifs des deux partenaires de cette étude, Valdunes, fabricant de roues et Flertex, fabricant de semelles, sont plus précisement : l'évolution des contraintes résiduelles dans la roue sous sollicitations de freinage et la prédiction des températures dans le couple roue-semelle. La première phase de ce travail a consisté en une investigation expérimentale approfondie permettant d'identifier les phénomènes prépondérants mis en jeu dans le freinage roue-semelle et d'orienter les modélisations numériques. L'analyse des freinages à l'aide d'une instrumentation thermique (thermocouples et caméra infrarouge) et mécanique (mesures de contraintes résiduelles) a permis d'établir une classification des différents gradients thermiques observés. Une distinction a pu être faite entre les freinages d'arrêts (localisations de type " bandes chaudes " étroites circulant dans le contact, avec peu de modifications des contraintes résiduelles) et les freinages de maintien (bandes chaudes larges et centrées dans le cas des semelles organiques et modification des contraintes résiduelles). La détermination des températures et des gradients thermiques est obtenue par une modélisation 2D thermomécanique du couple roue-semelle avec intégration des phénomènes d'usure et d'interface thermique. Elle permet la mise en évidence des phénomènes mis en jeu dans l'apparition et la circulation des bandes chaudes, par compétiton entre les phénomènes de dilatations thermiques et d'usure. Le modèle est validé par confrontation avec les mesures expérimentales
Une seconde modélisation est proposée permettant la prise en compte de la géométrie 3D de la semelle. L'originalité se situe dans la résolution thermique transitoire de la roue, basée sur un suivi temporel d'une section de roue suivie d'une reconstitution 3D. Les résultats permettent la prédiction des localisations sur toute la surface de frottement. L'utilisation conjointe de ces modèles permet de répondre à l'objectif de prédiction des gradients thermiques et de mise à disposition de moyens d'optimisation de la semelle. Pour le second objectif de prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles dans les roues, la détermination de l'état initial, issu du traitement thermique, est nécessaire. Elle est réalisée à l'aide d'un modèle thermomécanique 2D axisymétrique. Le coefficient d'échange thermique, lors de la trempe, a été identifié sur un dispositif expérimental développé spécifiquement. Différentes simulations ont pu montrer l'importance du modèle de comportement du matériau de la roue sur la distribution des contraintes résiduelles, notamment la prise en compte des phénomènes visqueux. Les résultats indiquent une bonne prédiction de l'évolution des contraintes résiduelles, de compression après le traitement thermique puis leur passage en traction après freinages, en conformité avec les relevés expérimentaux. Des compléments sont en cours pour une meilleure identification du modèle de comportement du matériau de la roue