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RÉSUMÉ
Les vibrations de frottement restent une manifestation du contact relativement difficile à appréhender en raison de la diversité des causes, et des manifestations. Cet article a pour objectif de présenter trois des causes principales de vibration de frottement : le glissement saccadé, l’arc-boutement et le couplage de mode. Chacun de ces trois mécanismes est passé en revue, en insistant sur la nature de la vibration qui en résulte, et en proposant un modèle mécanique minimaliste qui permet, moyennant peu de calculs, de surligner les causes principales du phénomène et de proposer des remèdes, qui s’avèrent sensiblement différents d’un mécanisme à l’autre.
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Friction induced vibration is one of the most complicate manifestation of mechanical contact due to the diversity of causes and manifestations. This article aims to present three of the main causes of friction vibration: the stick-slip, the sprag-slip and the mode coupling. Each of these three mechanisms has been reviewed, insisting on the nature of the vibration that results, and proposing a minimalist mechanical model that allows, using minimal calculation, to highlight the main causes of the phenomenon, and to propose solutions that will be significantly different from a mechanism to the other.
Auteur(s)
-
François ROBBE-VALLOIRE : Retraité, ancien professeur des Universités - Supméca, Saint-Ouen, France
INTRODUCTION
Les vibrations induites par le frottement constituent une manifestation du frottement nécessitant des efforts importants pour la combattre en raison d’une part de leur grande variété et d’autre part d’une apparition relativement courante en particulier dans les contacts secs sans lubrifiant. Les manifestations les plus classiques des vibrations de frottement sont les craquements, les broutements et les crissements. Les organes mécaniques les plus impliqués par les vibrations de frottement sont, par exemple pour le domaine automobile, les systèmes de freinage (surtout les freins à disques), les essuie-glaces et les dispositifs d’étanchéités des vitres latérales (lèche-vitre). Souvent néfaste, l’apparition de vibrations de frottement nécessite des actions pour les neutraliser, au même titre que l’usure.
Cet article a pour objectif de présenter les principaux phénomènes à l’origine des vibrations de frottement afin de pouvoir faciliter une recherche efficace de solutions.
Pour ce faire, après une rapide description des spécificités des vibrations de frottement, l’article présente une revue des modélisations minimales permettant de décrire trois des principaux scénarios de génération de vibrations dans le contact. Ces scénarios sont le glissement saccadé, l’arc-boutement et le couplage de mode.
Même s’il existe une formulation générale permettant de traiter ces trois mécanismes (§ 5), ces modélisations minimales permettent de cerner le sens physique de chacun des scénarios de vibration de frottement, et constituent également un outil quantitatif pour identifier les remèdes potentiels, qui s’avèrent très différents d’un scénario à l’autre.
Le premier mécanisme présenté (§ 2) est le glissement saccadé. Il est caractérisé par des phases successives de collage et de glissement. L’analyse du phénomène montre que sa cause principale est une différence entre coefficient de frottement statique et coefficient de frottement en phase de glissement.
Le deuxième mécanisme proposé (§ 3) est une vibration causée par le phénomène d’arc-boutement. Sa manifestation est très voisine de celle du glissement saccadé avec des phases de collage et de glissement mais la cause est complètement différente. Il s’agit d’un coefficient de frottement trop élevé associé à un couplage mécanique entre direction tangentielle et direction normale.
Le dernier mécanisme (§ 4) est le couplage de mode, il se traduit par une vibration harmonique (mode vibratoire) du système dont l’origine est l’existence de fréquences propres très voisines dans deux directions différentes (généralement les directions normale et tangentielle du contact) qui présentent, en outre, un couplage géométrique.
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KEYWORDS
stick-slip | sprag-slip | mode coupling | mechanical contact
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Couplage de mode (mode coupling)
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3. Arc-boutement (sprag-slip)
L’arc-boutement est également une vibration à 1 DDL, mais avec pour origine un couplage entre force normale et force de frottement.
3.1 Présentation du modèle
L’arc-boutement (ou sprag-slip dans la littérature anglo-saxonne) a été formalisé la première fois par Spurr en 1961 via l’analyse du comportement d’un modèle de contact entre une poutre articulée rigide de masse m mise en contact en position inclinée (angle θ par rapport à l'horizontale) avec une surface plane animée d’une vitesse de glissement constante V 0 (figure 17).
L’équation de moment autour du point d’articulation 0, supposé sans frottement, s’écrit :
( 10 )
Pour ce modèle la notion de couplage entre force normale et force tangentielle se déduit directement de l’équation (10) précédente, et se traduit par :
Pour des angles θ positifs, on constate que l’effort normal est réduit par le couplage avec l’effort tangentiel. L’existence du glissement stationnaire avec un coefficient de frottement μ s'écrit :
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Arc-boutement (sprag-slip)
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRAS (R.) - Tribologie ; principes et solutions industrielles. - Ed. Dunod Sciences & Techniques (2008).
-
(2) - ZHOUA (Z.R.), VINCENT (L.) - Wear, Lubrication in fretting – a review panel. - Wear, vol. 225-229, part 2, p. 962-967 (1999).
-
(3) - AKAY (A.) - Acoustics of friction. - J. Acoust. Soc. Am. 111, p. 1525-1548 (2002).
-
(4) - LE BOT (A.) - Introduction aux vibrations aléatoires. - Dunod, Paris (2019).
-
(5) - MOIROT (F.) - Étude de la stabilité d’un équilibre en présence du frottement de Coulomb. Application au crissement des freins à disque. - Thèse, École Polytechnique (1998).
-
(6) - CHEN (G.S.) - Handbook of friction-vibration interactions (Chapitre 4 :...
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