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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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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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Approche universelle pour les différents scénarios de vibration de frottement
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4. Couplage de mode (mode coupling)
Ce mécanisme s’appuie sur une modélisation mécanique avec 2 DDL ou plus. Généralement le modèle comporte un degré de liberté dans la direction tangentielle, comme pour le glissement saccadé ou l’arc-boutement, décrits dans les sections précédentes, auquel s’ajoute au moins un degré de liberté dans la direction normale. Si ces degrés de liberté ont des fréquences propres identiques, alors le couplage de mode peut intervenir.
Avant de d’expliciter le phénomène de couplage de mode sur un modèle minimaliste à 2 degrés de liberté, nous allons revenir sur les phénomènes qui peuvent être à l’origine du degré de liberté dans la direction normale.
4.1 Origine du degré de liberté dans la direction normale
Le déplacement vertical provient de déformation de pièces ou d’éléments de pièces dans la direction verticale. Ces éléments peuvent être (tableau 5) de trois natures distinctes :
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déformabilité de la surface antagoniste (cas a). En effet si l'on s’intéresse par exemple au système de freinage à disque, il apparaît que le disque de faible épaisseur par rapport à son diamètre présente une forte déformabilité élastique dans cette direction normale au contact. Le frotteur (patin de freinage) en contact avec ce disque va subir un déplacement vertical ;
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déformabilité du patin ou frotteur (cas b). Dans le cas particulier d’un système d’étanchéité de vitres latérales coulissante, le joint élastomère en contact avec la vitre présente une grande élasticité dans la direction normale. Un moyen de prendre simplement en compte cette déformabilité consiste à modéliser le lécheur par un système à un degré de liberté dans la direction normale ;
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déformabilité de l’interface (cas c). Dans tout contact réel, la présence de rugosité sur les pièces rend l’interface discontinu et localise le contact en des points discrets (généralement le sommet des aspérités), ce qui a pour conséquence de générer des concentrations de contraintes importantes et d’induire une souplesse au niveau de ces aspérités ...
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Couplage de mode (mode coupling)
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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