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Thèse soutenue

Étude thermique d'un contact glissant : approche numérique et expérimentale : application au freinage

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Auteur / Autrice : Didier Majcherczak
Direction : Moussa Naït Abdelaziz, Philippe Dufrénoy
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance en 2003
Etablissement(s) : Lille 1

Résumé

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Étude thermique des contacts glissants est complexe car elle doit associer de nombreux domaines de la mécanique qui sont fortement couplés. Quant aux applications technologiques elles sont nombreuses. Panni elles, le freinage, et notamment le frein à disque, est une des plus importante de part son aspect sécurité. Ils sont soumis à de fortes dégradations telles que fissuration, défonnation structurelle, usure dans lesquelles il est délicat de faire la part des contributions thenniques et tribologiques. Un problème de fond demeure: celui de la connaissance des niveaux de températures atteints, les mécanismes de production d'énergie, etc. La bibliographie regorge d'études sur les contacts glissants qui sont classés en contacts parfaits (ou lisses) et contacts imparfaits (ou avec aspérités). Très peu d'études considèrent le cas d'un contact avec un troisième corps. Ce dernier est généralement négligé sous prétexte de sa faible conductivité. Ces modèles considèrent une génération de chaleur par frottement de type surfacique. De nombreuses études thenniques, analytiques et numériques, appliquées au freinage par disque ont déjà été réalisées. Elles utilisent généralement les hypothèses issues des modèles de contact parfait et plus précisément celle de températures égales au niveau des surfaces apparentes. La comparaison de tous ces modèles sur un freinage d'arrêt automobile a pennis de définir les limites de leur utilisation. Cependant, le niveau des températures atteint ne pennet pas d'expliquer les dégradations subies par les freins à disque. Des observations expérimentales ont montré la présence d'un saut important des températures à l'interface. Ce dernier ne peut être modélisé avec l'hypothèse d'un contact parfait. Un nouveau modèle basé sur la présence d'un troisième corps au sein du contact est proposé. Ce dernier est considéré comme étant volumique, homogène et continu sur toute la surface de contact. Une génération de chaleur volumique unifonne dans tout le troisième corps est dans un premier temps considéré. Les premiers résultats montrent un saut de températures très net entre la surface du disque et celle de la garniture. Une étude de sensibilité a montré une forte dépendance vis-à-vis de l'épaisseur de la couche du troisième corps. Sa conductivité thennique est également un paramètre influant alors que la capacitance thennique ne modifie en rien le niveau des températures. Une seconde étude de sensibilité a été menée sur le profil de génération de chaleur volumique. Trois profils d'accommodation de vitesse ont été considérés. Ils pennettent de montrer une importance vis à vis du gradient de vitesse (représentatif du taux de cisaillement) surtout en ce qui concerne la température de surface de la garniture. Afin de mieux comprendre et d'appréhender le rôle de ce troisième corps d'un point de vue thennique, un dispositif expérimental simple a été élaboré. Il consiste à faire frotter deux cylindres, l'un en saphir (pièce tournante) et l'autre en acier (pièce fixe). Des comparaisons entre les résultats obtenus par des thennocouples de surfaces, une caméra infrarouge ainsi que des observations de surfaces ont permis d'établir des corrélations entre accumulation de troisième corps et échauffement local de la surface de frottement. Un modèle numérique du dispositif a été élaboré sur le principe du contact à trois corps. Les résultats expérimentaux et numériques obtenus sont cohérents et montrent l'intérêt et la représentativité d'un modèle avec troisième corps volumique, homogène et continu.