Letteratura scientifica selezionata sul tema "Crissement de freinage"

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.

Les problèmes de confort acoustique, de protection sonore de l'environnement et des usagers sont actuellement des problèmes permanents pour les constructeurs de matériels roulant et les équipementiers. Les réglementations internationales toujours plus strictes conduisent les constructeurs de matériels roulant à considérer les problèmes de vibrations et de rayonnement acoustique des les premières étapes de la conception. L’instabilité vibratoire appelée crissement, susceptible d’apparaître en fin de freinage est aujourd'hui très mal maîtrisée et devient une des préoccupations principales sur les matériels roulant ferroviaires. Nous présentons dans cette étude une modélisation détaillée des conditions de contact existant entre matériaux de freinage. L’idée principale est ici de définir de nouveaux modèles originaux de contact faisant intervenir un choix de paramètres majeurs, et parallèlement de réaliser les bancs d'essais associés susceptibles de reproduire les conditions de contact envisagées en accédant de façon expérimentale aux paramètres des modèles analytiques. Une confrontation des résultats analytiques et expérimentaux est faite et permet de définir des jeux de paramètres susceptibles de provoquer le crissement au freinage. Puis une application directe au métro parisien MP59 est faite en intégrant dans nos modèles les paramètres structuraux de son système de freinage ainsi que les caractéristiques sotériologiques et mécaniques de ses matériaux de freinage pour des conditions de freinages spécifiques au MP59. Une corrélation des résultats obtenus par simulations est ensuite faite sur un banc d'essais à l’échelle 1 pour de vérifier l'existence d'angles de contact critiques générant le crissement. On aboutit alors a une proposition de prototype de nouveaux sabots de frein non crissant. Suite à cette approche vibratoire du contact qui permet de définir les paramètres optimaux générateurs de l'excitation du rotor de frein (roue auxiliaire de freinage), nous proposons une seconde voie d’étude visant à réduire le rayonnement acoustique de la roue auxiliaire de freinage. La présentation de solutions déjà existantes pour réduire le crissement en courbe du au contact rail / roue y est faite ainsi qu'une étude du comportement dynamique de la roue auxiliaire de freinage. Puis une modélisation vibroacoustique nous permet de confronter une solution d'amortisseur dynamique avec la seule en vue de la réduction du rayonnement acoustique de celle-ci au freinage. Les résultats obtenus font de la première approche un bon outil pour mettre en place des abaques de paramètres utiles au predimentionnement ou aux modifications des sabots de frein et la seconde approche permet d'envisager des modifications technologiques directement applicables à la roue auxiliaire de freinage.

Notre étude porte sur la caractérisation des paramètres de frottement (pression d'application, vitesse de glissement, coefficient de frottement, état de surface et troisième corps) à l'origine d'instabilités vibratoires conduisant au bruit aigu qu'est le crissement, dans le domaine du freinage. Plus particulièrement, nous étudions l'influence de ces paramètres sur la signature vibratoire générée par le frottement afin d'en établir un lien. Notre étude se déroule en deux parties : une partie expérimentale réalisée à partir d'un tribomètre pion sur disque nous a permis de connaître l'influence des paramètres sur l'apparition du crissement, parallèlement à cette étude, une modélisation éléments finis nous a permis d'étudier l'influence de ces paramètres sur la stabilité du système et sur les formes modales excitées via une méthode de suivi de la réponse temporelle. Enfin, des solutions technologiques sont proposées afin de contribuer à la conception de systèmes de freinage non-bruyants
Our study is the characterization of the frictionnal parameters (application pressure, sliding speed, rubbing coeficient surface state and third body) at the origin of the vibratory instabilities problems resulting to the sharp noise that is the squeal, in the braking area. More particularly, we are studying the influence of these parameters on the signature of the vibrations produced by the friction, in order to find a link. This study has been carried in two part. Firstly, an experimental study using a pin on disc tribometer which has allowed us to see the influence of the parameters on brake squeal. Secondly, finite element analysis has been used to study the influence of the parameters on the stability of the system and on the excited modal shapes via a transient dynamic method. At last, technological solutions are proposed to contribute to conceive less noisy brake systems

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

Les crissements sont des bruits aigus émis par les systèmes de freinage. Très dérangeants pour l’oreille humaine, ils génèrent diverses problématiques économiques et sanitaires. De nombreux travaux ont permis d’appréhender leurs mécanismes d’émission, impliquant des vibrations instables du système de freinage, en particulier par couplage de modes vibratoires. Cependant, la fugacité du phénomène, qui apparait, évolue au cours du temps ou s’interrompt, demeure un verrou scientifique. La littérature pointe le rôle de l’interface de freinage dans l’amorce des instabilités et la sélection des modes impliqués. Nos travaux étudient les liens entre l’amorce du crissement et les mécanismes activés à l’interface, gouvernés par le comportement d’une couche de troisième corps oxydé. Une expérience reposant sur la perturbation des mécanismes tribologiques permet de suivre la réponse du système. Après un rodage en atmosphère d’air sec, le système est perturbé par le passage à une atmosphère non oxydante afin d’inhiber le débit source de troisième corps provenant de l’oxydation. Un protocole dédié permet la maîtrise des phénomènes clés de l’expérience, et nous développons une méthode de suivi multiéchelle in situ des mécanismes tribologiques en surface. La perturbation engendre un morcellement et une diminution de la surface de plateaux de troisième corps. Les fréquences de crissement présentes en conditions nominales deviennent moins actives, et de nouvelles fréquences apparaissent. Cette évolution est interprétée par une modification de la capacité des ondes mécaniques à transiter à l’interface, causée par le morcellement des plateaux de troisième corps compactés
Squeal is a high-pitched noise emitted by braking systems. Very disturbing to the human ear, squeal is a source of various economic and health issues. Many studies helped understand their emission mechanisms, involving unstable vibrations of the braking system, in particular by mode coupling phenomena. However, the transience of squeal, which appears, evolves over time or stops, remains a scientific barrier. The literature points out the role of the braking interface in the early stages of instabilities and the selection of the involved modes. Our work studies the links between the early stages of squealing and the mechanisms activated at the interface, governed by the behavior of a third-body layer of oxidized matter. An experiment based on the perturbation of the tribological mechanisms allows the system response to be monitored. After running-in in dry air atmosphere, the system is perturbed by a transition to a non-oxidizing atmosphere in order to inhibit the third body source flow generated by oxidation. A dedicated protocol allows the control of the key phenomena of the experiment, and we developed a method for multi-scale in situ monitoring of tribological mechanisms on the surface. The perturbation causes a fragmentation and a decrease in the surface area of the layer of third body plateaus. The squeal frequencies present under nominal conditions become less active, and new frequencies appear. This evolution is interpreted by a change in the ability of mechanical waves to travel at the interface, caused by the fragmentation of the compacted third body plateaus

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

Les instabilités vibratoires, telles que le crissement de frein, sont souvent étudiées par des analyses aux valeurs propres complexes sur des modèles éléments finis (EF). L'objectif de cette thèse est d'enrichir ces modèles en prenant en compte la viscoélasticité dont les effets sont l'amortissement et la rigidification des matériaux en fonction de la fréquence. Pour cela un viscoanalyseur a été développé. Il permet de caractériser en cisaillement les matériaux entre 100 et 3500Hz, sans utiliser les équivalences temps-température. Ce viscoanalyseur permet d'alimenter en paramètres le modèle rhéologique de Maxwell généralisé par le biais d'une nouvelle méthode d'identification particulièrement robuste. Le modèle de Maxwell généralisé est ensuite introduit dans les modèles EF grâce à un modèle d'état projeté sur un sous-espace adéquat. Ces modèles améliorés prédisent moins d'instabilités du fait de l'amortissement, mais ils montrent également que la viscoélasticité peut avoir des effets de déstabilisation du fait de la rigidification.

Les freins à friction peuvent induire des vibrations et du bruit, notamment le crissement, qui constitue un enjeu de santé publique majeur. Le crissement résulte d’une instabilité dynamique, responsable de vibrations de grande amplitude et d’émissions sonores intenses. Si le phénomène est bien connu en soi, l'origine des occurrences de crissement demeure mal comprise. Il est reconnu que le crissement est lié à de nombreux facteurs, parmi eux notamment l'usure des organes de friction. La nature multi-échelle des couplages physiques, la complexité des matériaux de friction et la nature fermée du contact, sont cependant autant d'obstacles à la compréhension de son apparition.Ce travail expérimental s'appuie sur la tribologie à trois corps et la notion de circuit tribologique pour explorer les mécanismes source de crissement, considérant que les écoulements du troisième corps modifient continuellement les surfaces de frottement et donc l’aire de portance pendant le glissement.L'objectif des travaux est d'examiner le lien entre l’évolution du troisième corps, celle du triplet tribologique et l'apparition du bruit en condition de frottement sec. Pour cela, un tribomètre élémentaire, dédié à l'analyse vibratoire d’un contact est utilisé, l’expérimentation permettant l’observation de l'interface à travers un disque transparent et un contrôle du circuit tribologique par l’usage d’un troisième corps artificiel et d’une configuration de contact appropriée. Les résultats montrent en particulier que l'apparition du crissement est fortement liée à la densification et à la redistribution de la couche de troisième corps dans le contact au cours du glissement
Friction brakes can induce vibrations and noise, including squealing, which is a major public health concern. Squeal results from dynamic instabilities, leading to high amplitude vibrations and intense noise emissions. Although the phenomenon is well known, the origin of squealing occurrences remains poorly understood. It is recognized that squealing is related to many factors, including the wear of the friction parts. However, the multi-scale nature of physical couplings, the complexity of friction materials and the closed nature of contact are all obstacles to understanding its appearance.This experimental work is based on the third-body approach and the notion of a tribological circuit to explore the mechanisms originating squeal, considering that flows of third body at the interface continuously change the friction surfaces and thus the load-bearing area during the slip.The objective of the work is to examine the link between the change of the third body, that of the tribological triplet and the appearance of noise in dry friction conditions. For this purpose, an elementary tribometer dedicated to the analysis of contact vibrations is used, the experiment allowing a monitoring of the interface through a transparent disc and a control of the tribological circuit by the use of an artificial third body and an appropriate contact configuration. The results show in particular that the appearance of squealing is strongly related to the densification and redistribution of the third-body layer in the contact during sliding

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