Étude théorique et expérimentale des points chauds dans les organes de friction : application au freinage ferroviaire

Theoretical and experimental study on hot spots in frictional organs : application to railway braking

• Auteur / Autrice : Stéphane Panier
• Direction : Géry de Saxcé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Freins

Résumé

La chaleur générée par frottement dans les organes de friction, comme les systèmes de freinage ou les embrayages, induit des déformations thermiques non négligeables. Ainsi, 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. Les points chauds macroscopiques représentent la sollicitation thermomécanique la plus endommageante dans le cas des disques de freins, pouvant conduire à la fatigue thermique oligocyclique et/ou à une diminution des performances du système de freinage. Afin de mieux appréhender ce phénomène, une caractérisation de ces gradients thermiques est représentée. Ainsi, les points chauds macroscopiques sont des zones de températures très élevées (pouvant dépasser les 1000 degrés C) réparties de manière périodique et antisymétrique sur les faces du disque. De plus, leur nombre dépend de la longueur de contact entre le disque et les garnitures. À partir de résultats numériques et expérimentaux, il en ressort également qu'ils peuvent être associés à une déformation structurale du disque en présence d'écoulement plastique.

De par leurs intérêts théorique et industriel, de nombreuses approches ont déjà été développées pour étudier les points chauds. Les deux principales, qui sont les instabilités thermoélastiques et le flambage du disque, ont été appliquées au cas du freinage ferroviaire. Ces modélisations ont donné des valeurs incohérentes par rapport aux observations expérimentales. Une nouvelle approche, appelée déformation ondulatoire progressive du disque, est donc proposée. Elle associe les points chauds macroscopiques à un processus de formation évolutif en trois étapes. De par les intéractions entre les déformations thermomécaniques, le contact et la chaleur générée par frottement, une évolution du nombre d'ondulation est observée jusqu'à la stabilisation des points chauds macroscopiques. Ainsi, un scénario dit classique a pu être défini. L'influence de paramètres, tels que la longueur de contact ou la rigidité de la garniture, a également été étudiée. Cette étude théorique et expérimentale apporte des éclaircissements sur le phénomène des points chauds macroscopiques. La compréhension du mécanisme de formation doit permettre de proposer des dispositions constructives afin de repousser les limites des systèmes actuels de freinage.