Crissement des systèmes de freinage : identification et influence des localisations du contact frottant

Brake squeal : identification and influence of frictional contact localizations

• Auteur / Autrice : Nicolas Strubel
• Direction : Philippe Dufrénoy, Jean-François Brunel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle
• Jury : Président / Présidente : Franck Massa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Richard, Guillaume Vermot des Roches, Yassine Waddad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Massa, Jean-Gabriel Bauzin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments finis

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Localisation

Mécanique du contact

Propriétés thermomécaniques

Bruit

Vibrations

Freins à disque

Mots clés libres

Crissement de freinage

Essais NVH

Partitionnement de données

Brake squeal instability

Contact localizations

NVH tests

Enriched thermal instrumentation

Clustering techniques

Enhanced FEM stability simulations

Résumé

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.